Resuspensio ja kiintoaineen kulkeutuminen Eurajoensalmessa

Työraportti 2012-78 Resuspensio ja kiintoaineen kulkeutuminen Eurajoensalmessa Vesistömittausten loppuraportti Joose Mykkänen Mikko Kiirikki Antti Lindfors Marraskuu 2012 POSIVA OY Olkiluoto FI-27160 EURAJOKI, FINLAND Tel +358-2-8372 31 Fax +358-2-8372 3809

Työraportti 2012-78 Resuspensio ja kiintoaineen kulkeutuminen Eurajoensalmessa Vesistömittausten loppuraportti Joose Mykkänen Mikko Kiirikki Antti Lindfors Luode Consulting Oy Marraskuu 2012 Karttaoikeudet: Maanmittauslaitos lupa nro 41/MML/12 Posivan työraporteissa käsitellään käynnissä olevaa tai keskeneräistä työtä. Esitetyt tulokset ovat alustavia. Raportissa esitetyt johtopäätökset ja näkökannat ovat kirjoittajien omia, eivätkä välttämättä vastaa Posiva Oy:n kantaa.

TIIVISTELMÄ Tutkimuksessa selvitettiin, mitkä tekijät vaikuttavat Eurajoensalmen jokivesien tuoman kiintoaineen kulkeutumiseen ja leviämiseen salmeen sekä selvitettiin Eurajoensalmen pohjalle sedimentoituneen kiintoaineen vapautumista takaisin vesimassaan resuspensiossa. Tutkimuksessa käytettiin mittausjakson 2009 ja 2011 aikana automaattisia vedenlaadun sekä pinnan- ja aallonkorkeuden mittausasemia sekä virtausnopeuden mittalaitteilla. Eurajoensalmen vedenlaadun alueellista vaihtelua selvitettiin liikkuvasta veneestä tehdyillä läpivirtauskartoituksilla sekä vedenlaadun vertikaaliluotauksilla. Lisäksi tutkimuksessa käytettiin sekä mittausjakson aikana kerättyjä säätietoja että pitkän aikavälin säätietoja. Tutkimus osoittaa Eurajoensalmen edustavan tyypillistä estuaarialuetta, jossa jokivedet virtaavat pintakerroksessa salmesta ulospäin sekoittuen hiljalleen suolaisempaan meriveteen. Pohjakerroksessa merivesi virtaa salmeen sisään työntyen ajoittain salmen perukoille saakka. Jokivesien ja meriveden selvä vaihettumisvyöhyke on tyypillisesti Kaunissaaren kohdalla, mutta suurimpien jokivirtaamien aikaan kevään sulamisvesien ja merkittävien sadetapahtumien jälkeen jokivesien vaikutukset näkyvät koko salmen alueella. Suurin osa Eurajoensalmeen laskevista jokivesistä ja niiden mukana tulevasta kiintoainekuormituksesta tulee salmen pohjukkaan laskevasta Eurajoesta. Avainsanat: Sedimentaatio, resuspensio, kiintoaine, vedenlaatu.

Resuspension and transport of suspended solids in Eurajoensalmi Bay Final report of monitoring activities in 2009-2011 EXTENDED SUMMARY The goal of monitoring activities carried out in Eurajoensalmi Bay was to indentify factors affecting dispersal of river waters and suspended solid matter in the estuary area. In addition to suspended solids load and dispersal of river water, also release of sedimented particles from the sea bed in resuspension was studied. River water quality and discharge as well as resuspension in Eurajoensalmi estuary area were monitored with Luode automatic monitoring stations equipped with water quality, water level, wave height and weather sensors. Dynamics of Eurajoensalmi estuary area was studied by installing profiling current meters (ADCP) and water quality sensors to the sea floor at the mouth of Eurajoensalmi. Spatial variation of surface water quality was monitored with a flow-through method from a moving vessel and manual profiling several times during the monitoring period. Collected data was processed and used in determining suspended solids balance of Eurajoensalmi Bay. The balance was determined by creating a regression model for water exchange and sediment flux over the cross section at the mouth of Eurajoensalmi. Regression model was created also to determine resuspension in Eurajoensalmi area. Sediment flux and resuspension were modeled using long term wind data from Kylmäpihlaja meteorological station as a variable to determine overall sediment balance of Eurajoensalmi. Results of monitoring activities indicate that Eurajoensalmi represents typical estuary area, where fresh river water flows out of the bay in the surface layer mixing gradually with sea water. In the bottom layer, sea water flows in the opposite direction in to the bay reaching also the far end of the bay occasionally. Clear meeting zone of river water and sea water is typically off Kaunissaari Island in the middle of the bay. Impacts of river water can be seen in the entire bay area during the snowmelt period and after heavy rains. Majority of river water and sediment load flowing into the bay originates from Eurajoki River (over 68 %). Water balance between Eurajoensalmi and surrounding sea areas is affected by river waters flowing into the bay, fluctuation of sea water level and currents at the mouth of the bay. River waters replaced 11,2 % of bay volume in a day during the highest discharges. Fluctuation of sea water level replaced at greatest 9,3 % of the volume in a day, the highest decrease in water level in a day emptied 13,3 % of the volume. According to the collected flow velocity data, rising sea level is filling the bay mainly by inflow in the bottom layer. Flow directions in surface and bottom layers turn to reverse directions during the strong northwestern winds. Waves surging into the bay cause water in surface layer to flow from the sea into the bay. Water level in the bay rises and increased discharge into the bay is balanced with water in bottom layer flowing out of the bay. When northwestern winds calm down, flow directions turn back to normal on surface and bottom layers and water level in the bay decrease.

Resuspension in Eurajoensalmi is strongest during the northwestern storms, when waves are surging into the bay from the open sea. The main part of the sea floor of the bay is shallow erosion and transportation bottom consisting of fresh sediments exposed to resuspension. Resuspension begins at the shallowest areas when wind velocity in bay direction 310 exceeds 5 m/s. Significant amount of sediment is released from the entire bay area when wind component 310 velocity exceeds 10 m/s. Interval of such episodes is on average 35 times per year. Storm winds blowing into the bay from the sea in fall are causing the highest release of sediments in resuspension. Storm level (>20 m/s) wind component 310 velocities were recorded on average 1,7 times per year. Results of the resuspension regression model of the whole bay area indicate that the highest amount of sediment released from the bottom in a day is equivalent to the highest recorded daily sediment load flowing into the bay with river waters. The total amount of released sediments in resuspension during the monitoring period was equivalent to river water sediment load during the same period. The results indicate that the sea floor in the bay consist of erosion and transportation areas, where sediments brought in with river waters are circulating constantly in sedimentation and resuspension processes. Sediments are slowly transported from erosion and transportation areas towards deeper accumulation areas at the mouth of the bay and in surrounding sea areas. Also collected flow velocity and turbidity data from the mouth of the bay indicate sediment flux flowing out of the bay in bottom layer during strong northwestern wind. The annual average sediment flux on the cross section at the mouth of the bay is equivalent to the annual average river water sediment load. Sediment balance of the bay is close to zero; the same amount of sediment which is flowing in with river water is flowing out over the cross section. Accumulation of sediments is dominant during the calm years, but transportation out of the bay is dominating during the stormy years. Keywords: Sedimentation, resuspension, suspended solids, water quality.

1 SISÄLLYSLUETTELO TIIVISTELMÄ EXTENDED SUMMARY 1 JOHDANTO... 3 2 RESUSPENSION MÄÄRITELMÄ... 5 3 MITTAUSMENETELMÄT... 7 4 TULOKSET... 11 4.1 Sääasema... 11 4.2 Jokivedet... 11 4.3 Eurajoensalmen dynamiikka... 13 4.3.1 Virtausmittaukset... 20 4.3.2 Pinnankorkeuden vaihtelu... 21 4.3.3 Virtaaman ja kiintoainevuon mallinnus Eurajoensalmen suun poikkileikkauksella... 22 4.4 Kiintoainevuon mallinnus Kylmäpihlajan tuuliaineiston mukaan vuosilta 1991 2010... 26 4.4.1 Mallinnustulokset... 27 4.5 Resuspensio... 30 4.6 Eurajoensalmen kiintoainetase... 38 5 JOHTOPÄÄTÖKSET... 41 LÄHDELUETTELO... 43 LIST OF FIGURES AND TABLES... 45 LIITTEET... 49 Liite 1. Regressiomallit... 49 Liite 2. Mittaasemien sijainnit... 53

2

3 1 JOHDANTO Työn tarkoituksena oli selvittää mitkä tekijät vaikuttavat Eurajoensalmen jokivesien tuoman kiintoaineen kulkeutumiseen ja leviämiseen salmee. Lisäksi selvitettiin salmen pohjalle sedimentoituneen kiintoaineen vapautumista takaisin vesimassaan resuspensiossa. Jokivesien laatua ja määrää sekä resuspension voimakkuutta mitattiin automaattisilla vedenlaadun sekä pinnan- ja aallonkorkeuden mittausasemilla. Eurajoensalmen dynamiikkaa selvitettiin salmen pohjaan asennetuilla virtausnopeuden ja vedenlaadun mittalaitteilla. Eurajoensalmen vedenlaadun alueellista vaihtelua selvitettiin laajalla sarjalla liikkuvasta veneestä tehdyillä läpivirtauskartoituksilla sekä vedenlaadun vertikaaliluotauksilla. Kerätty mittausaineisto käytettiin koko salmen kiintoainetaseen määrittämisessä. Mittausaineistoa kerättiin kesäkuun 2009 ja kesäkuun 2011 välisenä aikana.

4

5 2 RESUSPENSION MÄÄRITELMÄ Resuspensiolla tarkoitetaan pohjaan sedimentoituneiden hiukkasten siirtymistä takaisin vesimassaan. Kerrostuneissa vesialueissa päällysvedestä alusveteen vajonneet hiukkaset voivat sekoittua takaisin päällysveteen kerrostuneisuuden murtuessa. Matalissa merenlahdissa koko vesimassan edustaa tavallisesti päällysvettä, joten pohjaan sedimentoituneet hiukkaset voivat siirtyä takaisin vesimassaan veden liikkeiden ollessa riittävän suuria vesi-sedimentti rajapinnalla. Veden virtaukset, aallot, jään liikkeet ja pohjasedimenttiä kaivavat eliöt aikaansaavat resuspensiota, jossa jo pohjan pinnalle laskeutuneita hiukkasia siirtyy takaisin vesimassaan. Suurin resuspensiota aiheuttava voima matalissa vesissä on tavallisesti aaltojen aiheuttamat veden horisontaaliset liikkeet sedimentin rajapinnassa. Virtausten voimakkuus pohjassa riippuu aaltojen korkeudesta ja vesisyvyydestä. Aaltojen korkeuteen vaikuttaa tuulen nopeus ja avoimen selän pituus. Suojaisella rannalla aallot ovat pieniä tuulen puhaltaessa rannasta poispäin, mutta vastarannalla aallonpituus ja korkeus ovat kasvaneet. Aaltojen aiheuttaman horisontaaliliikkeen voimakkuus heikkenee eksponentiaalisesti vesisyvyyden kasvaessa. Matalien järvien vesimassassa usein runsaina esiintyvät makrofyytit kasvattavat virtausvastusta ja suojaavat näin pohjasedimenttiä resuspensiolta. Virtausvastus kasvaa sedimentti-vesi rajapinnalla pohjasedimenttiin juurillaan kiinnittyneiden uposlehtisten vesikasvien tiheyden kasvaessa. Vesisedimentti rajapinnassa tapahtuvien horisontaaliliikkeiden voimakkuuden lisäksi resuspension suuruuteen vaikuttaa sedimentin ominaisuudet. Sedimentillä on koostumuksestaan riippuvainen leikkausjännitys, jonka ylittyessä hiukkasia irtoaa sen pinnasta. Resuspensiota esiintyy kun veden horisontaaliliikkeiden virtausnopeus ylittää sedimentin leikkausjännityksestä riippuvan kriittisen virtausnopeuden. Leikkausjännitys on sitä suurempi, mitä pidempään sedimentti on ollut häiriintymättömänä. Ajan myötä sedimentin fysikaalinen lujuus kasvaa ja myös pohjalevät sekä mikrobien muodostamat biofilmit pienentävät sedimentin pinnan eroosioherkkyyttä. Myös sedimenttiin juurillaan kiinnittyneet makrofyytit pienentävät eroosioherkkyyttä stabiloimalla sedimenttiä. Vesialueen morfometriasta, sääoloista ja sedimentin ominaisuudesta riippuen resuspension voimakkuus ja vaikutukset vaihtelevat alueittain. Eroosiopohjat resuspendoituvat usein jatkuvasti, jolloin hienompi aines kulkeutuu syvemmille transportaatioja akkumulaatiopohjille ja eroosiopohjille lajittuu vain karkeampi aines. Matalissa merenlahdissa estuaarialueilla koko pohjan ala koostuu usein syvänteiden puuttuessa eroosio- ja transportaatiopohjasta, jotka resuspendoituvat avoveden aikana säännöllisesti. Pohjalle sedimentoituneet jokivesien lahteen tuoma hienojakoinen kiintoaines ja lahden omasta tuotannosta syntyvä orgaaninen aines vapautuu resuspensiossa takaisin vesimassaan ja kulkeutuu hiljalleen virtausten mukana lahdesta ulospäin kohti syvänteiden akkumulaatiopohja-alueita.

6

7 3 MITTAUSMENETELMÄT Eurajoensalmeen laskevien jokien vedenlaatua sekä pinnankorkeutta mitattiin Eurajoella 29.5.2009 3.7.2011 ja Lapinjoella (tai Lapijoella) 23.6.2009 30.6.2011 (kuva 1) automaattisilla mittausasemilla, jotka koostuvat dataloggerista, virtalähteestä ja antureista. Eurajoella vedenlaatua mitattiin puolen tunnin mittausvälillä s::can-spectrometrillä, jonka mittausparametreja ovat sameus, nitraatti, liukoinen orgaaninen aines (DOC), kemiallinen hapenkulutus (COD) ja lämpötila. Lapinjoella vedenlaatua mitattiin tunnin mittausvälillä YSI 600-sarjan anturilla, jonka mittausparametreja ovat sameus, johtokyky ja lämpötila. Molemmissa joissa mitattiin vedenlaadun lisäksi pinnankorkeutta paineantureilla. Pinnankorkeuden mukaan määritettiin joille virtaaman purkautumiskäyrät vertaamalla pinnankorkeuden tuloksia ympäristöhallinnon virtaamatuloksia vasten. Lapinjoen mittausaseman merivesikontaminaation voimakkuuden ja vaikutuksien arvioimiseksi mitattiin joen vedenlaatua myös yläjuoksulla Ylinenkosken mittausasemalla jaksolla 16.9. 2.12.2010. Resuspensiota mitattiin automaattisilla mittausasemilla Eurajoensalmen pohjukassa Verkkokarin aallonmurtajalla sekä salmen suulla Telakan aallonmurtajalla (kuva 1) 23.6.2009 30.6.2011. Asemat mittasivat tunnin välein merkitsevää aallonkorkeutta paineantureilla. Vedenlaatua mitattiin samanaikaisesti YSI 600-sarjan antureilla, joiden mittausparametreja ovat sameus, suolapitoisuus ja lämpötila. Sameuden arvot muutettiin kiintoainepitoisuuksiksi vesinäytteistä analysoitujen pitoisuuksien perusteella eri aallonkorkeuksilla resuspendoituvien massojen selvittämiseksi. Sameuden, suolapitoisuuden ja lämpötilan muutokset asemien mittausaikasarjoissa kertovat myös jokivesien vaikutuksesta alueella. Salmen sisäosat ja erityisesti sen pohjukka Verkkokarin alueella edustavat matalaa resuspensioherkkää aluetta. Vesisyvyys verkkokarin mittauspaikassa on noin metri. Telakan alue on syvyydeltään noin kuusi metriä ja anturit on asennettu noin viiden metrin syvyyteen. Telakan resuspensioaseman yhteyteen asennettiin myös sääasema (kuva 1), joka mittasi Vaisalan WXT-anturilla tuulensuuntaa ja nopeutta, sademäärää, lämpötilaa, ilman kosteutta ja ilman painetta puolen tunnin mittausvälillä 23.6.2009 30.6.2011. Eurajoensalmen dynamiikan laskennassa käytettiin sääaseman mittaustulosten lisäksi myös Kylmäpihlajan sääaseman pitkänajan tuulihavaintoja väliltä 1991 2010. Mittausasemien data kerättiin Luode Dataloggeriin, joka ohjasi antureita mittaamaan halutuin väliajoin. Dataloggerin muistiin kerätty data lähetettiin kerran vuorokaudessa gsm-verkon yli Luode Datapalveluun, jossa mittaustulokset oli luettavissa salasanalla suojatuilla www-sivuilla. Eurajoensalmen dynamiikan selvittämiseksi asennettiin salmen suulle (Meriasema, kuva 1) ADCP-virtausmittari (RD-Instruments) jaksoille 21.10 9.12.2009 sekä 30.9.2010 12.5.2011. Virtausmittari asennettiin pohjaan noin 7 m syvyyteen, josta laite mittasi yläpuolellaan olevan vesikerroksen virtausnopeudet jaoteltuna puolen metrin kerroksiin. Virtaustulosten lisäksi Meriasemalta on kerätty vedenlaatutietoa 6.8.2009 22.12.2009 sekä 20.4.2010 12.5.2011. Metri pohjan yläpuolelle asennettu, YSI 600-sarjan anturi tallensi sameuden, suolapitoisuuden ja lämpötilan arvoja tunnin välein omaan muistiinsa. Laite nostettiin säännöllisesti ylös mittaustulosten purkamiseksi tietokoneelle.

8 Meriaseman lisäksi vedenlaatutietoa kerättiin pohjaan asennetulla YSI 600-sarjan anturilla myös keskeltä Eurajoensalmea tyypilliseltä jokivesien ja merivesien vaihettumisvyöhykkeeltä Kaunissaaren edustalta (kuva 1) jaksolta 30.9.2010 25.1.2011. Kerättyä aineistoa hyödynnettiin myös resuspension laskennassa. Kuva 1. Mittausasemien sijainnit. Kartta: Posiva Oy/Jani Helin. Maastotietokanta, Maanmittauslaitos (lupa 41/MYY/12). Automaattisten mittausasemien ja Meriaseman mittausten lisäksi Eurajoensalmella tehtiin laajoja pintaveden laadun aluekartoituksia läpivirtauslaitteistolla sekä vertikaaliluotauksilla, joiden avulla saadaan selville vedenlaadun syvyyssuuntainen vaihtelu eri kerroksissa. Kartoitusten tuloksilla täydennettiin mittausasemien aikasarjoja muodostamalla koko vesialuetta kuvaavia vedenlaadun tilannekuvia. Eurajoensalmen pintaveden laadun aluekartoitukset tehtiin liikkuvasta aluksesta läpivirtausmenetelmällä, jossa vesi johdettiin mittalaitteisiin 0,5 m syvyydeltä mittausaluksen alta. Kartoituksessa käytettiin YSI 6600-sarjan anturia, joka tallentaa sameuden, suolapitoisuuden ja

9 lämpötilan arvot yhdessä paikkatiedon kanssa sekunnin välein kartoitusreitiltä (kuva 2). Vertikaaliluotaukset tehtiin samalla anturilla (sameus, suolapitoisuus, lämpötila ja syvyys) laskemalla anturia pinnasta pohjaan luotauspisteillä kahdella salmen suuntaan kohtisuoralla poikkileikkauksella (salmen pohjukassa Laukkari-Rannankulma ja salmen suulla Marikarinnokka-Vähäniemi) sekä salmen pituussuuntaisella poikkileikkauksella (Verkkokari-Ulkopää). Pintaveden ja poikkileikkauksien vedenlaatutuloksista piirrettiin tilannekuvat interpoloimalla mittausaineisto. Kartoituksia tehtiin 6.8, 25.9, 21.10, 19.11 ja 9.12.2009 sekä 30.9.2010. Mitta-asemien koordinaatit on esitetty Liitteessä 2, taulukossa 4. 61.28 61.26 latitudi [ P] 61.24 61.22 21.36 21.41 21.46 21.51 21.56 longitudi [ I] Kuva 2. Mittausaluksen ajoreitti pintaveden laadun aluekartoituksessa (punainen) ja vertikaaliluotausten luotauslinjat (vihreä). Kartta: Luode Oy. Maastotietokanta, Maanmittauslaitos (lupa 41/MYY/12).

10

11 4 TULOKSET 4.1 Sääasema Telakan sääasemalta kerätyn mittausaikasarjan mukaan yleisimmin havaittu tuulensuunta Eurajoensalmella on kaakkoistuuli, mutta voimakkaimmat tuulet puhalsivat luoteesta ja pohjoisesta (kuva 3). Mittausaseman läheisyydessä Olkiluodon pohjoisrannalla oleva puusto rajoittaa etelän- ja lounaanpuoleisten tuulten mittausta. Asema on asennettu tämän johdosta mahdollisimman kauas rannasta aallonmurtajana toimivan proomun päähän. Resuspension mittausten kannalta oleellisimmille salmen sisään puhaltaville lännen- ja luoteenpuoleisille tuulille mittauspaikka aallonmurtajan kärjessä on otollinen. Sääaseman tuulihavaintojen mukaan (kuva 3) voimakkaimmat tuulet puhaltavat juuri mereltä luoteen puolelta salmen sisään suunnasta 310 o. Tuulennopeudelle laskettiin voimakkaimman tuulensuunnan ja samalla myös salmensuuntainen tuulikomponentti (310 o ) salmen dynamiikan ja resuspension laskentaa varten. Salmensuuntaisen tuulikomponentin jakaumassa nähdään komponentin positiivisten arvojen, salmen sisään puhaltavien tuulien dominoivan. Kuva 3. Tuulihavainnot mittausjakson ajalta Telakan sääasemalta sekä havaintojen mukaan lasketun salmensuuntaisen (310 o ) tuulikomponentin jakauma. 4.2 Jokivedet Eurajoen ja Lapinjoen pinnankorkeuksien aikasarjojen muuttaminen virtaamiksi ympäristöhallinnon virtaamahavaintojen mukaan onnistui Eurajoelle, mutta Lapinjoen mittausasema on voimakkaasti meriveden pinnankorkeuden vaihteluiden vaikutusalueella. Merivesivaikutus näkyy Lapinjoen johtokyvyn arvojen nousuna (kuva 5) suolaisen veden noustessa mittausasemalle asti. Jokien Eurajoensalmeen tuoman kiintoainekuormituksen määrittäminen on tehty siksi käyttämällä ympäristöhallinnon virtaama-aineistoa (kuva 4, virtaaman vuorokausikeskiarvot) sekä laskemalla mittausasemien sameuden aikasarjoista vuorokausikeskiarvot. Sameuden vuorokausikeskiarvot on muutettu kiintoainepitoisuuksiksi Posivan vesinäytteiden perusteella muodostettujen regressiokäyrien mukaan (liite 1, kuva 36). Eurajoen vedenlaadun mittausaikasarjoissa on lyhyt tauko kevään jäidenlädön ajalta 29.3.-9.4.2010.

12 Virtaaman arvot saavuttivat huippunsa kevätsulannan ja syyssateiden aikana (kuva 4). Myös kevään sadetapahtumalla 19.5.2010 (kuva 4) oli suuri merkitys. Jokivesien yhteenlaskettu Eurajoensalmeen tuoma vesimäärä oli mittausjakson aikana keskimäärin 7,6 m 3 /s (Eurajoki 5,4 m 3 /s Lapinjoki 2,2 m 3 /s). Jokien Eurajoensalmeen tuomasta yhteenlasketusta vesimäärästä oli Eurajoen osuus 71 %, joka on todennäköisesti vieläkin suurempi Lapijoen vesien virratessa osittain Olkiluodon eteläpuolelle (kuva 1). Suurin osa kiintoainekuormituksesta tuli virtaaman tavoin kevään sulmisvesien ja syyssateiden aikana sekä Eurajoessa kevään sadetapahtuman jälkeen. Eurajoen kiintoainekuormituksessa kevään sulamisvesien kuormitushuipun alku puuttuu jäidenlähdön aiheuttaman mittaustauon johdosta. Jokien yhteenlaskettu keskimääräinen kiintoainekuormitus oli 15,7 ton/d (Eurajoki 10,6 ton/d, Lapinjoki 5,1 ton/d). Jokien yhteenlasketusta kiintoainekuormituksesta Eurajoen osuus on vähintään 68 %, ja todennäköisesti vielä suurempikin Lapinjoen vesien virratessa osittain Olkiluodon eteläpuolelle. Suurimmillaan päiväkohtainen kiintoainekuormitus oli 780 ton/d toukokuisen voimakkaan sadetapahtuman jälkeen 2010. Kuva 4. Eurajoen ja Lapinjoen virtaaman vuorokausikeskiarvojen aikasarjat ajalla 2009-2011 (Ympäristöhallinto) sekä virtaaman ja kiintoainepitoisuuden vuorokausikeskiarvon mukaan laskettu kiintoainekuormitus.

13 Merivedenpinnan nousu samanaikaisesti heikkojen jokivirtaamien aikana vaikuttaa Lapinjoen mittaustuloksiin. Merivesivaikutus näkyy selvästi johtokyvyn arvojen nousuna (kuva 5). Huomattavan merivesivaikutuksen aikana jokiveden sameusarvot laimenevat yläjuoksun arvoihin verrattuna mitattavan veden ollessa sekoitus joki- ja merivettä. Meriveden pinnan laskiessa tai jokivesien virtaaman kasvaessa merivesivaikutus loppuu ja yläjuoksulla havaittu merivesivaikutuksen ajan pidättynyt jokivesien tuoma kiintoainepulssi havaitaan mittausasemalla (kuva 5). Kuva 5. Merivesikontaminaation vaikutus Lapinjoen mittausasemalla (Hankkila) havaitaan syksyllä 2010 johtokyvyn arvojen nousuna ja samanaikaisesti sameuden arvot laskevat verrattuna yläjuoksun arvoihin (Ylinenkoski). 4.3 Eurajoensalmen dynamiikka Eurajoensalmen vedenvaihto tapahtuu jokivesien, meriveden pinnankorkeuden vaihteluiden ja virtausten vaikutuksesta. Eurajoensalmen pohjukkaan laskeva Eurajoki sekä keskelle salmea etelästä Kaunissaaren takaa laskeva Lapinjoki tuovat alueelle makeita jokivesiä, jotka sekoittuvat suolaiseen meriveteen. Jokivesien vaikutusalueen laajuus vaihtelee jokivirtaaman, meriveden pinnakorkeuden ja virtausten mukaan. Tyypillisesti jokivesien ja meriveden vaihettumisvyöhyke pintakerroksessa on Kaunissaaren kohdalla (kuvat 7 ja 8), mutta jokivedet ovat jo salmen pohjukassa sekoittuneet meriveteen kevätsulantaa ja merkittäviä sadetapahtumia lukuun ottamatta (kuva 6, suolapitoisuus Verkkokarilla). Sulamisvesien nostamat jokivirtaamat keväällä voimistavat jokivesien vaikutuksia salmella, joka näkyy suolapitoisuuden laskuna myös salmen suulla olevalla Telakan mittausasemalla (kuva 6).

14 Kuva 6. Suolapitoisuuden aikasarjat Verkkokarin ja Telakan mittausasemilta. Suolapitoisuuden salmensuuntaisessa poikkileikkauksessa (kuva 10) näkyy jokivesien vaikutus pääosin kahden metrin pintakerroksessa aina 5-6 km päähän Verkkokarilta merelle päin (Telakka 6 km). Merivettä sameamman jokiveden kerrostuminen pääosin pintakerrokseen näkyy myös salmensuuntaisen poikkileikkauksen sameuskuvaajissa (kuva 9). Sameuden poikkileikkauskuvaajissa salmen pohjukassa (kuva 11) sekä salmen suulla (kuva 12) näkyy jokivesien vaikutus erityisesti salmen pohjoisrannan tuntumassa. Tämän perusteella jokivedet näyttäisivät virtaavat ulospäin salmensta erityisesti sen pohjoisreunaa pitkin. Myös pohjanläheisissä kerroksissa 2-5 m syvyydessä on huomattavia sameuksia salmen pohjukasta Kaunissaaren itälaitaan saakka (kuvat 9 ja 11). Korkeat sameuden arvot pohjakerroksissa selittyvät jokivesien tuoman kiintoaineksen sedimentoitumisesta hitaasti pohjalle sekä jo sedimentoituneen aineksen resuspendoitumisesta takaisin vesimassaan aallokon vaikutuksesta. Salmen pohjukka on eroosio- ja transportaatiopohjan aluetta, jossa sedimentaatio ja resuspensio vuorottelevat jatkuvasti kiintoaineen kulkeutuessa hiljalleen syvemmille akkumulaatiopohja-alueille.

15 sameus 6.8.2009 sameus 25.9.2009 61.28 61.28 61.26 61.26 latitudi [ P] latitudi [ P] 61.24 61.24 61.22 21.36 21.41 21.46 21.51 21.56 longitudi [ I] sameus 21.10.2009 61.22 21.36 21.41 21.46 21.51 21.56 longitudi [ I] sameus 19.11.2009 61.28 61.28 61.26 61.26 latitudi [ P] latitudi [ P] 61.24 61.24 61.22 21.36 21.41 21.46 21.51 21.56 longitudi [ I] sameus 9.12.2009 61.22 21.36 21.41 21.46 21.51 21.56 longitudi [ I] sameus 30.9.2010 61.28 61.28 61.26 61.26 latitudi [ P] latitudi [ P] 61.24 61.24 61.22 21.36 21.41 21.46 21.51 21.56 longitudi [ I] 61.22 21.36 21.41 21.46 21.51 21.56 longitudi [ I] 0 NTU 2 NTU 4 NTU 6 NTU 8 NTU 10 NTU 0 NTU 2 NTU 4 NTU 6 NTU 8 NTU 10 NTU Kuva 7. Pintaveden sameuden karttakuvat. Kartta: Luode Oy. Maastotietokanta, Maanmittauslaitos (lupa 41/MYY/12).

16 suolapitoisuus 6.8.2009 suolapitoisuus 25.9.2009 61.28 61.28 61.26 61.26 latitudi [ P] latitudi [ P] 61.24 61.24 61.22 21.36 21.41 21.46 21.51 21.56 longitudi [ I] suolapitoisuus 21.10.2009 61.22 21.36 21.41 21.46 21.51 21.56 longitudi [ I] suolapitoisuus 19.11.2009 61.28 61.28 61.26 61.26 latitudi [ P] latitudi [ P] 61.24 61.24 61.22 21.36 21.41 21.46 21.51 21.56 longitudi [ I] suolapitoisuus 9.12.2009 61.22 21.36 21.41 21.46 21.51 21.56 longitudi [ I] suolapitoisuus 30.9.2010 61.28 61.28 61.26 61.26 latitudi [ P] latitudi [ P] 61.24 61.24 61.22 21.36 21.41 21.46 21.51 21.56 longitudi [ I] 61.22 21.36 21.41 21.46 21.51 21.56 longitudi [ I] 0 ppt 1 ppt 2 ppt 3 ppt 4 ppt 5 ppt 6 ppt 0 ppt 1 ppt 2 ppt 3 ppt 4 ppt 5 ppt 6 ppt Kuva 8. Pintaveden suolapitoisuuden karttakuvat. Kartta: Luode Oy. Maastotietokanta, Maanmittauslaitos (lupa 41/MYY/12).

17 Veden sameus linjalla Verkkokari-Ulkopää 6-8-2009 Veden sameus linjalla Verkkokari-Ulkopää 25-9-2009 0 0 10 NTU -2-2 9 NTU 8 NTU -4-4 7 NTU syvyys [m] -6-8 syvyys [m] -6-8 6 NTU 5 NTU 4 NTU 3 NTU -10-10 2 NTU -12 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Veden sameus linjalla Verkkokari-Ulkopää 21-10-2009-12 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Veden sameus linjalla Verkkokari-Ulkopää 19-11-2009 1 NTU 0 NTU 0 0 10 NTU -2-2 9 NTU 8 NTU -4-4 7 NTU syvyys [m] -6-8 syvyys [m] -6-8 6 NTU 5 NTU 4 NTU 3 NTU -10-10 2 NTU -12 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Veden sameus linjalla Verkkokari-Ulkopää 9-12-2009-12 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Veden sameus linjalla Verkkokari-Ulkopää 30-9-2010 1 NTU 0 NTU 0 0 10 NTU -2-2 9 NTU 8 NTU -4-4 7 NTU syvyys [m] -6-8 syvyys [m] -6-8 6 NTU 5 NTU 4 NTU 3 NTU -10-10 2 NTU -12 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 etäisyys pisteestä 1 [km] -12 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 etäisyys pisteestä 1 [km] 1 NTU 0 NTU Kuva 9. Sameuden poikkileikkauskuvat salmensuuntaisella linjalla.

18 Veden suolapitoisuus linjalla Verkkokari-Ulkopää 6-8-2009 Veden suolapitoisuus linjalla Verkkokari-Ulkopää 25-9-2009 0 0 6 ppt -2-2 5 ppt -4-4 4 ppt syvyys [m] -6 syvyys [m] -6 3 ppt -8-8 2 ppt -10-10 1 ppt -12 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Veden suolapitoisuus linjalla Verkkokari-Ulkopää 21-10-2009-12 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Veden suolapitoisuus linjalla Verkkokari-Ulkopää 19-11-2009 0 ppt 0 0 6 ppt -2-2 5 ppt -4-4 4 ppt syvyys [m] -6 syvyys [m] -6 3 ppt -8-8 2 ppt -10-10 1 ppt -12 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Veden suolapitoisuus linjalla Verkkokari-Ulkopää 9-12-2009-12 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Veden suolapitoisuus linjalla Verkkokari-Ulkopää 30-9-2010 0 ppt 0 0 6 ppt -2-2 5 ppt -4-4 4 ppt syvyys [m] -6 syvyys [m] -6 3 ppt -8-8 2 ppt -10-10 1 ppt -12 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 etäisyys pisteestä 1 [km] -12 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 etäisyys pisteestä 1 [km] 0 ppt Kuva 10. Suolapitoisuuden poikkileikkauskuvat salmensuuntaisella linjalla.

19 Veden sameus linjalla Laukkari-Rannankulma 6-8-2009 Veden sameus linjalla Laukkari-Rannankulma 25-9-2009 0 10 NTU 0 10 NTU -2 9 NTU 8 NTU -2 9 NTU 8 NTU -4 7 NTU -4 7 NTU syvyys [m] -6-8 6 NTU 5 NTU 4 NTU 3 NTU syvyys [m] -6-8 6 NTU 5 NTU 4 NTU 3 NTU -10 2 NTU -10 2 NTU -12 0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1 NTU 0 NTU -12 0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1 NTU 0 NTU etäisyys etelärannalta [km] Veden sameus linjalla Laukkari-Rannankulma 21-10-2009 etäisyys etelärannalta [km] Veden sameus linjalla Laukkari-Rannankulma 19-11-2009 0 10 NTU 0 10 NTU -2 9 NTU 8 NTU -2 9 NTU 8 NTU -4 7 NTU -4 7 NTU syvyys [m] -6-8 6 NTU 5 NTU 4 NTU 3 NTU syvyys [m] -6-8 6 NTU 5 NTU 4 NTU 3 NTU -10 2 NTU -10 2 NTU -12 0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1 NTU 0 NTU -12 0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1 NTU 0 NTU etäisyys etelärannalta [km] Veden sameus linjalla Laukkari-Rannankulma 9-12-2009 etäisyys etelärannalta [km] 0 10 NTU -2 9 NTU 8 NTU -4 7 NTU syvyys [m] -6-8 6 NTU 5 NTU 4 NTU 3 NTU -10 2 NTU -12 0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1 NTU 0 NTU etäisyys etelärannalta [km] Kuva 11. Sameuden poikkileikkauskuvat salmen pohjukassa Laukkari-Rannankulma linjalla esitettynä etelärannasta pohjoisrantaan.

20 Veden sameus linjalla Marikarinnokka-Vähäniemi 6-8-2009 Veden sameus linjalla Marikarinnokka-Vähäniemi 25-9-2009 0 10 NTU 0 10 NTU -2 9 NTU 8 NTU -2 9 NTU 8 NTU -4 7 NTU -4 7 NTU syvyys [m] -6-8 6 NTU 5 NTU 4 NTU 3 NTU syvyys [m] -6-8 6 NTU 5 NTU 4 NTU 3 NTU -10 2 NTU -10 2 NTU -12 0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1 NTU 0 NTU -12 0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1 NTU 0 NTU etäisyys etelärannalta [km] Veden sameus linjalla Marikarinnokka-Vähäniemi 21-10-2009 etäisyys etelärannalta [km] Veden sameus linjalla Marikarinnokka-Vähäniemi 19-11-2009 0 10 NTU 0 10 NTU -2 9 NTU 8 NTU -2 9 NTU 8 NTU -4 7 NTU -4 7 NTU syvyys [m] -6-8 6 NTU 5 NTU 4 NTU 3 NTU syvyys [m] -6-8 6 NTU 5 NTU 4 NTU 3 NTU -10 2 NTU -10 2 NTU -12 0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1 NTU 0 NTU -12 0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1 NTU 0 NTU etäisyys etelärannalta [km] Veden sameus linjalla Marikarinnokka-Vähäniemi 9-12-2009 etäisyys etelärannalta [km] 0 10 NTU -2 9 NTU 8 NTU -4 7 NTU syvyys [m] -6-8 6 NTU 5 NTU 4 NTU 3 NTU -10 2 NTU -12 0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1 NTU 0 NTU etäisyys etelärannalta [km] Kuva 12. Sameuden poikkileikkauskuvat salmen suulla Marikarinnokka-Vähäniemi linjalla esitettynä etelärannasta pohjoisrantaan. 4.3.1 Virtausmittaukset Eurajoensalmen ja Selkämeren välisestä virtauskentästä kerättiin aineistoa pohjaan asennetulla virtausmittarilla salmen suulla Meriasemalla (kuva 1). Virtausmittausaineistossa (kuva 13) näkyy selvästi suolapitoisuuden ja sameuden kuvaajissakin (kuvat 7, 8 9, 11 ja 12) näkyvä kerrostuneisuus, jossa pinta- ja pohjakerros virtaavat eri suuntiin. Virtausmittaushavaintojen mukaan salmen virtauskenttä edustaa tyypillistä estuaarialuetta, jossa salmeen laskevat jokivedet virtaavat pintakerroksessa salmesta ulospäin ja pohjakerroksessa puolestaan suolainen merivesi virtaa salmeen sisään. Pinta- ja pohjakerroksen virtaussuunnat vaihtuvat hetkellisesti päinvastaisiksi salmensuuntaisen länsi- ja luoteistuulen pakatessa pintavettä lahden perukoille, joka purkautuu pohjakerroksen virtauksena salmesta ulospäin.

21 Kuva 13. Salmensuuntaiset virtausnopeudet pinta- ja pohjakerroksissa syksyllä 2010. Positiivinen arvo vastaa salmen sisään suuntautuvaa virtausta, negatiivinen arvo virtausta salmesta ulos. Kuvassa myös otos pohjakerroksen virtausnopeudesta, tuulen nopeudesta sekä sameuksista Meriasemalla ja Kaunissaaren edustalla voimakkaan salmen sisään puhaltavan tuulitapahtuman aikana. 4.3.2 Pinnankorkeuden vaihtelu Eurajoensalmen vesitaseessa tuleva vesimäärä muodostuu salmeen laskevien Eurajoen ja Lapinjoen jokivesistä sekä meriveden pinnankorkueden vaihteluissa salmeen sisään työntyvästä merivedestä. Salmesta rajatun alueen (kuva 15) vesimäärä 49,5 milj. m 3 vaihtui kokonaisuudessaan salmeen tulevien jokivesien ja merivesien pinnankorkeuden vaihtelun vaikutuksesta 18,3 kertaa mittausjaksonjakson 24.6.2009-30.6.2011 aikana. Todellisuudessa vedenvaihto on nopeampaakin Eurajoensalmen ja Selkämeren välisten virtausten johdosta. Jokivesien osuus salmeen tulevasta vesimäärästä oli 54,1 % olettaen Lapinjoen vesien tulevan kokonaan Eurajoensalmeen. Suurimmillaan jokivesien yhden päivän aikana tuoma vesimäärä oli 11,2 % salmen tilavuudesta kevään sulamisvesien virtaamahuipun aikana 2011 (kuva 14). Meriveden pinnankorkeuden nousun tuoma vesimäärä yhden päivän aikana oli suurimmillaan 9,3 % salmen tilavuudesta. Pinnankorkeuden nousu salmessa aiheutuu pääosin meriveden virtauksesta sisään salmeen. Pinnankorkeuden laskiessa salmesta poistuva vesimäärä vuorokauden aikana oli suurimmillaan 13,3 % salmen tilavuudesta. Vesitaseen laskennassa on käytetty

22 jokivesien virtaama-aineistoa (kuva 4) ja meriveden pinnankorkeuden vaihtelun aiheuttaman vedenvaihdon laskennassa pinnankorkeuden mittausaineistoa Telakan asemalta sekä salmesta rajatun alueen kokonaispinta-alaa 10 963 500 m 2. Kuva 14. Meriveden pinnankorkeuden vaihtelusta aiheutuva päivittäinen vedenvaihto Eurajoensalmella sekä salmeen tulevien jokivesien yhteenlaskettu määrä. Positiivinen arvo tarkoittaa salmeen tulevaa vesimäärää ja negatiivinen arvo salmesta poistuvaa vesimäärä. 4.3.3 Virtaaman ja kiintoainevuon mallinnus Eurajoensalmen suun poikkileikkauksella Eurajoensalmen ja ulkomeren välisen vedenvaihdon ja kiintoainevuon määrittämisessä käytettiin mittaustuloksiin perustuvaa mallityökalua. Mittausaineiston esittämisen yksinkertaistamiseksi ja laajentamiseksi myös mittausjakson ulkopuolelle muodostettiin kerätystä aineistosta regressiomallit salmensuuntaiselle virtaukselle sekä kiintoainepitoisuudelle pintakerroksessa ja pohjakerroksessa. Meriaseman virtausmittausaineistosta havaittiin virtausnopeuksien jakautuvan pinta- ja pohjakerrokseen, jotka noudattivat tyypillistä estuaarivirtausta pintakerroksen (1,5-2,0 m) virratessa keskimääräisesti salmesta ulospäin ja pohjakerroksen (2,5-5,5 m) puolestaan salmeen sisäänpäin. Virtausmittausaineistosta havaittua kerrosrajaa käytettiin virtaaman ja kiintoainevuon mallinnuksessa salmen poikkileikkauksella (kuva 15) laajentaen mallitulokset koskemaan koko pintakerrosta (0-2 m) ja pohjakerrosta (2-9 m).

23 Kuva 15. Mittausasemien ja taselaskelmiin käytetyn poikkileikkauslinjan sijainti Eurajoensalmessa. Kartta: Posiva Oy/Jani Helin. Maastotietokanta, Maanmittauslaitos (lupa 41/MYY/12). Syvyysaineisto, Pohjola ym. 2009. Virtausmalli Virtausnopeuksien mallintamisen tavoitteena oli kuvata vesikerrosten liikkeitä avovesikauden aikana, joten jääpeitteen aika leikattiin virtausmittausaineistosta pois ja mallin tekemisessä käytettiin aineistoa jaksoilta 21.10 9.12.2009, 30.9 9.12.2010 sekä 24.4 12.5.2011. Pinta- sekä pohjakerroksen virtausnopeuksille muodostettiin regressiomalli kerrosten keskimääräisten virtausnopeuksien sekä Telakan sääaseman tuuliaineiston perusteella. Tuuliaineisto muutettiin itä- ja pohjoissuuntaisiksi komponentiksi ja paras selitysaste virtausnopeuden regressiomallille löydettiin käyttämällä tunnin viivettä tuuliaineistossa. Näin muodostetut virtausnopeuden regressioyhtälöt tulostavat virtausnopeudet pinta- ja pohjakerroksissa tuulikomponenttien ollessa muuttujina (kuva 16). Regressiomallin yhtälöt, kertoimet sekä kuvaajat ovat nähtävissä liitteessä 1 (kuva 37 ja taulukko 3).

24 Kuva 16. Pinta- ja pohjakerroksen regressiomallien mukaan lasketut tulokset vesikerrosten virtausnopeuksille syyskaudella 2010 esitettynä yhdessä mittaustulosten kanssa. Regressiomallin keskivirhe on pohjakerroksessa ±19,6 mm/s ja pintakerroksessa ±63,6 mm/s. Vesikerrosten virtaaman määrittämiseksi laskettiin kerrosten pinta-alat poikkileikkauksen syvyysaineistosta (kuva 17). Pintakerroksen (0-2m) pinta-ala on 3919 m 2 ja pohjakerroksen (2-9m) ala mukaan lukien mittaushavaintoja (2,5m-5,5m) alemmat kerrokset on yhteensä 6897 m 2. Virtaamatulokset vesikerroksille laskettiin näin regressiomallin tulostamien virtausnopeuksien ja kerrosten pinta-alojen mukaan.

25 Syvyys Pinta ala [m 2 ] 0 1m 2023 1 2m 1896 2 3m 1733 3 4m 1656 4 5m 1389 5 6m 1020 6 7m 702 7 8m 367 8 9m 31 Kuva 17. Poikkileikkauskuva ja eri syvyysvyöhykkeiden pinta-alat Eurajoensalmen suulta linjalta etelästä pohjoiseen Meriaseman kohdalta. Virtaus- ja vedenlaatumittarin sijainti on osoitettu punaisella nuolella. Syvyysaineisto, Pohjola ym. 2009. Kiintoainevuon mallinnus Eurajoensalmen poikkileikkauksen kiintoainevuon mallintamiseksi muodostettiin virtausnopeuden tapaan regressiomallit vesikerrosten kiintoainepitoisuuksille. Pohjakerroksen malli perustuu Meriaseman sameusmittaustuloksiin kuuden metrin syvyydeltä jaksolta 30.9 9.12.2010. Sameuden mittaustulokset jaoteltiin Telakan sääaseman tuulen salmensuuntaisen komponentin mukaan käyttäen tunnin viivettä. Tuulennopeuksia vastaavat keskimääräiset sameusarvot laskettiin mittausaineistosta, joiden mukaan määritettiin regressioyhtälö kiintoainepitoisuuden mallintamiseksi (Liite 1, taulukko 3). Pintakerroksen kiintoainepitoisuuden mallintaminen perustui lähempien pintakerroksen mittaustulosten puuttuessa Kaunissaaren sameusmittaustuloksiin kolmen metrin syvyydestä vastaavalta jaksolta 30.9 9.12.2010. Regressiomalli muodostettiin pohjakerroksen mallin mukaan. Sedimentaatio Kaunissaaren mittausaseman ja mallinnettavan Eurajoensalmen poikkileikkauksen välillä huomioitiin käyttämällä kerrointa 0,5 regressiomallin tuloksissa. Kerroin perustuu Eurajoensalmen sameusluotauksiin poikkileikkauksen ja Kaunissaaren kohdalla, joissa pintakerroksen sameusarvot olivat ulosvirtaustilanteissa keskimäärin puolet pienempiä poikkileikkauksen kohdalla (vaihteluväli 0,2-0,9) (kuva 9). Pintakerroksen kiintoainepitoisuuden mallintamisessa käytettiin sisäänvirtaustilanteissa ulkomeren taustapitoisuuden arvoa 1 mg/l ja ulosvirtaustilanteissa regressiomallin tuloksia kerrottuna sedimentaatiokertoimella. Sameusarvojen muuttamisessa kiintoainepitoisuuksiksi käytettiin kalibrointitulosten puuttuessa kerrointa yksi. Varsinainen kiintoainevuo Eurajoensalmen poikkileikkauksella laskettiin kertomalla virtausnopeuden- ja kiintoainepitoisuuksien mallien tulokset keskenään.

26 4.4 Kiintoainevuon mallinnus Kylmäpihlajan tuuliaineiston mukaan vuosilta 1991 2010 Eurajoensalmen poikkileikkaukselle muodostettuja regressiomalleja sovellettiin kiintoainevuon laskemiseen pitkän ajan sääaineistoon perustuen. Mallinnuksessa käytettiin Kylmäpihlajan sääaseman (Ilmatieteen laitos) vuosien 1991 2010 tuuliaineistoa, joka muutettiin virtausmallia varten itä- ja eteläsuuntaisiin komponentteihin ja kiintoainepitoisuuden mallia varten salmensuuntaiseksi komponentiksi (310 o ). Mallin kuvatessa vain avoveden aikaista tilannetta, leikattiin sääaineistosta pois jääpeitteen aikaiset kuukaudet tammikuun alusta huhtikuun loppuun. Tuuliaineiston jakaumasta käy ilmi voimakkaimpien tuulien puhaltavan ulkomereltä sisään Eurajoensalmeen (kuva 19). Voimakkaimmillaan tuulen salmensuuntainen nopeus nousi 27 m/s (kuva 18), voimakkaiden yli 20 m/s salmensuuntaan puhaltavien tuulien toistuvuus oli jakson aikana keskimäärin 1,7 päivänä vuodessa (kuva 20) painottuen syyskauteen. Kiintoainevuon mallintamisessa käytettävät regressiomallien selittäjänä on Eurajoensalmen suulla olevan Telakan sääaseman tuuliaineisto. Eri sääaseman tuuliaineiston käyttäminen mallinnuksessa vaikuttaa mallin tuloksiin. Verrattaessa Kylmäpihlajan ja telakan tuuliaineiston salmensuuntaisen komponentin jakaumia (kuvat 3 ja 19), havaitaan Kylmäpihlajan tuulen nopeuksien olevan mittausaseman avoimemman sijainnin johdosta Telakkaa voimakkaampia. Myös itätuulten vaikutus näkyy avoimemman Kylmäpihlajan mittausaseman jakaumassa. Voimakkaimmat tuulet puhaltavat kuitenkin molempien mittausasemien jakaumissa salmeen sisään. Kylmäpihlajan tuuliaineiston käyttäminen kiintoainevuon mallinnuksessa liioittelee itätuulien vaikutuksia, mutta aineisto soveltuu hyvin kriittisimpien salmen sisään puhaltavien voimakkaiden tuulien aiheuttaman resuspension ja sitä seuraavan kiintoainevuon mallintamiseen. Kuva 18. Eurajoensalmen sisään puhaltavan tuulen (salmensuuntainen komponentti) vuorokauden maksimiarvot. Suurimmat yli 25 m/s tuulitapahtumat toistuivat kolme kertaa 20 vuoden mittausjakson aikana vuosina 1991-2010 Kylmäpihlajan säähavaintoasemalla.

27 Kuva 19. Tuulen salmensuuntaisen komponentin voimakkuuden jakauma vuosina 1992 2010 Kylmäpihlajan säähavaintoasemalla. Kuva 20. Merkittävien Eurajoensalmeen sisään puhaltavien tuulitapahtumien keskimääräinen toistuminen vuoden aikana avovesikaudella Kylmäpihlajan säähavaintoasemalla. 4.4.1 Mallinnustulokset Mallitulokset noudattavat hyvin virtausmittaustuloksissa havaittua estuaarivirtaustilannetta. Keskimääräisesti pintakerroksessa vesi virtaa lahdesta ulospäin ja pohjakerroksessa puolestaan salmeen sisäänpäin (taulukko 1). Kerrosten yhteenlaskettu keskimääräinen salmesta ulkomerelle suuntautuva virtaama 14,6 m 3 /s on lähellä jokivesien virtaamaa, joka oli mittausjakson aikana 2009-2011 keskimäärin 7,6 m 3 /s. Poikkileikkauksen virtaamaan vaikuttaa kuitenkin jokivesien lisäksi myös vedenpinnan korkeuden vaihtelusta aiheutuvat virtaamat sisään salmeen ja salmesta ulos sekä Eurajoensalmen ja ulkomeren väliset virtauskentät.

28 Taulukko 1. Keskiarvotulokset mallinnuksesta Eurajoensalmen poikkileikkauksella. KESKIARVOT Pintakerros Pohjakerros Virtausnopeus [mm/s] 18,3 8,3 Virtaama [m 3 /s] 71,8 57,2 Kiintoainetase [ton/d] 30,4 5,9 Kiintoainevuo Eurajoensalmen poikkileikkauksella on virtaaman tavoin negatiivinen, salmesta ulkomerelle suuntautuva 24,6 ton/d (taulukko 1). Vastaava keskimääräinen Eurajoen ja Lapinjoen yhteenlaskettu kiintoainekuormitus oli mittausjakson aikana 2009 2011 15,7 ton/d. Pintakerroksessa kiintoaine kulkeutuu keskimääräisesti salmesta ulospäin ja pohjakerroksessa salmeen sisäänpäin (kuvat 21 ja 22). Voimakkaiden salmen sisään puhaltavien tuulitapahtumien aikana kiintoainevuo kääntyy päinvastaiseksi (kuvat 21 ja 23). Pintakerroksessa virtaa salmen sisään vettä ulkomereltä, jossa kiintoainepitoisuus on matala. Samanaikaisesti pohjakerroksen vesimassa virtaa salmesta ulospäin kuljettaen mukanaan resuspensiossa pohjasta vesimassaan vapautunutta kiintoainetta. Pintakerroksen mittaus- ja mallitulokset osoittavat myös pintakerroksen virtaussuunnan ja kiintoainevuon kääntyvän salmesta ulospäin tuulennopeuden noustessa yli 15 m/s. On mahdollista että tuulennopeuden kasvaessa salmen pintakerroksessa käynnistyy horisontaalinen kierto, jossa salmen toista laitaa myöten vesi virtaa salmeen sisään ja toisessa laidassa salmesta ulos. Horisontaalikiertoa ei kuitenkaan käytetyllä yhteen mittauspisteeseen perustuvalla mallilla pystytä havainnoimaan ja siksi käytetty malli mahdollisesti yliarvioi pintakerroksessa poistuvia kiintoainemääriä. Tämä voimakkaiden tuulien vaikutus pintakerroksen virtausnopeuksiin ja suuntiin vaatisi tarkempia useamman pisteen mittauksia salmen poikkileikkauksella Mallitulosten mukaan Eurajoensalmesta poistui päivän aikana suurimmillaan kiintoainetta 2280 ton/d (12.12.2005), joka vastaa 40 % vuosittaisesta jokivesien tuomasta kiintoainemäärästä. Tuulen salmensuuntainen komponentti oli kyseisenä päivänä keskimäärin 20 m/s 24 h ajan saavuttaen huippuarvon 22,7 m/s. Vastaavasti suurin jokivesien tuoma kiintoainekuormitus päivän aikana oli 780 ton/d toukokuun voimakkaan sadetapahtuman jälkeen vuonna 2010. Salmen sisään mereltä kulkeutuva kiintoainemäärä oli puolestaan suurimmillaan 620 ton/d (12.11.1992) voimakkaan salmesta ulospäin puhaltaneen tuulen johdosta. Tuuli puhalsi vuorokauden ajan keskimäärin 15 m/s salmesta ulospäin, jolloin pintavesikerros virtasi salmesta ulospäin ja pohjavesikerros salmeen sisään kuljettaen kiintoainetta mukanaan enemmän kuin pintakerroksessa samanaikaisesti poistui.

29 Kuva 21. Mallinnuksen tulokset kiintoainevuolle Eurajoensalmen suun poikkileikkauksella perustuen Kylmäpihlajan sääaineistoon vuosilta 1991-2010. Kuva 22. Jakauma kiintoainevuosta Eurajoensalmen poikkileikkauksella ja erikseen pinta- ja pohjakerroksessa Kylmäpihlajan sääaineiston mukaan mallinnettuna. Pintakerroksessa jakauma painottuu kiintoaineen ulosvirtaukseen ja pohjakerroksessa puolestaan sisäänvirtaukseen.

30 Kuva 23. Esimerkki voimakkaiden tuulitapahtumien aikaisista yksittäisistä kiintoainevirroista Eurajoensalmen poikkileikkauksella, vasemmalla voimakkain tapahtuma vuodelta 1998 ja oikealla vuodelta 1999. 4.5 Resuspensio Sameuden nousut resuspension mittausasemien aikasarjoissa (kuva 24) kertovat aaltojen ja virtausten aiheuttamasta resuspensiosta sekä jokivesien kiintoainekuormituksesta alueella. Jokivesien vaikutus näkyy erityisesti Verkkokarin mittausasemalla kevään sulamisvesien aiheuttaman kiintoainekuormituksen nousun sekä voimakkaan sadetapahtuman aikana toukokuun lopussa 2010 (ks. kuva 4). Myös syysateiden vaikutukset näkyvät sameuden nousuina verkkokarin mittausasemalla. Talven jääpeitteen aika näkyy selvästi sameuskuvaajassa pitkänä matalan sameuden jaksona joulukuusta maaliskuun lopulle saakka aaltojen aiheuttaman resuspension loputtua ja jokivirtaamien ollessa vähäisiä.

31 520 NTU 508 NTU Kuva 24. Sameuden ja merkitsevän aallonkorkeuden aikasarjat Verkkokarin ja Telakan resuspension mittausasemilta 2009 2011. Verkkokarin maksimiarvot ylittävät skaalan, korkeimmat arvot on merkitty kuvaan numeroin. Merkitsevän aallonkorkeuden nousun yhteydessä tapahtuvat sameuden nousut voidaan tulkita aaltojen aiheuttamasta resuspensiosta johtuviksi. Resuspension vaikutukset näkyvät kuvaajassa (kuva 24) nopeina sameuden nousuina jokivesien kiintoainekuormituksen vaikutuksien ulkopuolella. Erityisen voimakas resuspensiojakso tapahtui lokakuussa 2010 voimakkaiden luoteistuulten aikana (kuva 25). Sameuden arvot nousivat voimakkaasti Verkkokarin mittausasemalla ja myös Telakan asemalla selvästi jokivesien sameuksien ollessa samaan aikaan matalia.

32 Kuva 25. Sameuden aikasarjat resuspensio- ja jokivesiasemilta voimakkaan luoteistuulen aiheuttaman resuspension aikana 10. 16.10.2010. Kokonaiskuvan saamiseksi koko Eurajoensalmella tapahtuvasta resuspensiosta rajattiin salmesta alue, jonka sisällä molemmat resuspension mittausasemat sijaitsevat (kuva 26). Asemien mittaustuloksien perusteella tarkastellaan resuspensiota laskennallisesti kaikilla salmen syvyysvyöhykkeillä. Suurin osa salmesta rajatusta alueesta on matalaa, syvyydeltään alle kuuden metrin eroosio- ja transportaatiopohjan aluetta (kuva 28). Matalimmat alueet sijaitsevat salmen pohjukassa, jonne jokivesien tuoma kiintoaines pääosin sedimentoituu. Resuspension vaikutus on suurimmillaan juuri matalimmilla alueilla. Säännöllisesti matalilla alueilla tapahtuva resuspensio vapauttaa sedimentoitunutta ainesta takaisin vesimassaan ja kuljettaa sitä hiljalleen kohti altaan syvänteitä, jotka ovat rajatulla alueella syvimmillään 12 m. Suuri osa Eurajoensalmen matalien alueiden pohjasedimentistä koostuu tuoreesta liejusavesta (Rantataro & Kaskela 2009) (kuva 27). Salmen rantavyöhykkeiden pohjaa hallitsee kallioperä sekä saven, hiekan, soran ja kivenlohkareiden sekoitus. Salmen pohjalla esiintyy myös pieniä alueita eroosion paljastamia vanhoja ja yleensä kovempia sedimenttikerroksia (litorina ja ancylus). Valtaosan salmen pohjasta peittävä tuore sedimenttikerros kertoo voimakkaasta jokivesien kiintoainekuormituksesta alueella. Liejusavisedimentti on tyypillisesti hyvin eroosioherkkää ja matalan leikkausjännityksensä johdosta helposti resuspendoituvaa. Suuri osa salmen pohjasta on siis resuspensioherkkää aluetta ja resuspension tarkastelu voidaan siksi tehdä koko salmesta rajatulle alueelle.

33 Kuva 26. Resuspension laskentaa varten Eurajoensalmesta rajattu alue metrin syvyyskäyrillä. Maksimisyvyys rajatulla alueella on 12 m. Kartta: Posiva Oy/Jani Helin. Maastotietokanta, Maanmittauslaitos (lupa 41/MYY/12). Syvyysaineisto, Pohjola ym. 2009.

34 Kuva 27. Eurajoensalmen ja lähimerialueiden sedimenttikartta (Rantataro & Kaskela 2009). Kartta: Posiva Oy/Jani Helin. Maastotietokanta, Maanmittauslaitos (lupa 41/MYY/12). Syvyys [m] 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Osuus lahden pinta alasta [%] 0 5 10 15 20 Kuva 28. Eri syvyysvyöhykkeiden pinta-alojen osuus Eurajoensalmesta rajatun alueen (kuva 26) kokonaispinta-alasta 10 963 500 m2.

35 Kuva 29. Merkitsevä aallonkorkeus Verkkokarilla ja Telakalla tuulen suunnan mukaan esitettynä. Korkeimmat aallot syntyvät molemmilla mittausasemilla tuulen suunnalla 310 o. Resuspension voimakkuus on suurimmillaan aaltojen vyöryessä sisään Eurajoensalmeen avomereltä päin lännen ja luoteen suunnista. Resuspension mittausasemien ja Telakan sääaseman tuloksissa näkyy merkitsevän aallonkorkeuden olevan suurimmillaan tuulen puhaltaessa suunnasta 310 o (kuva 29), joka on lähellä salmen suuntaa 300 o. Resuspension laskennallista tarkastelua varten laskettiin tuulennopeudelle suurimman aallonkorkeuden aiheuttava salmensuuntainen (310 o ) komponentti sääaseman tuulennopeuden ja suunnan aikasarjan mukaan. Salmensuuntaisen tuulennopeuden komponentin mukaan muodostettiin Verkkokarin ja Telakan resuspension mittausasemien merkitsevälle aallonkorkeudelle ja sameudelle regressiomallit. Mallit tehtiin käyttäen tuulen salmensuuntaiselle komponentille ja merkitsevälle aallonkorkeudelle vuorokauden maksimiarvoja aallonkorkeuden reagoidessa nopeasti tuulen nousuun ja laskuun. Sameudella on huomattavasti pidempi viive, aallokon vaimentuessa sameus laskee kertaluokkaa hitaammin matalan sedimentaationopeuden johdosta. Regressiomallissa on käytetty sameudelle pitkän viiveen johdosta vuorokauden keskiarvoja. Regressiomallien tulokset on laskettu taulukkoon 2. Mallien antamien sameustuloksien perusteella laskettiin mittausasemille resuspensiomäärät eri tuulennopeuksilla.

36 Taulukko 2. Merkitsevän aallonkorkeuden ja sameuden arvot Verkkokarilla ja Telakalla regressiomallien mukaan laskettuna tuulen salmensuuntaisen komponentin ollessa selittäjänä. Resuspensio on laskettu Verkkokarille (syvyys 1 m) ja Telakalle (syvyys 6 m) muuttamalla sameusarvot kiintoainepitoisuuksiksi kertoimella 1 kalibrointinäytteiden puuttuessa. AALLONKORKEUS [cm] SAMEUS [NTU] RESUSPENSIO [g/m 2 /d] Tuuli [m/s] Verkkokari Telakka Verkkokari Telakka Verkkokari Telakka 1 3 6 7 1 0 0 2 3 8 7 1 0 0 3 3 10 7 1 0 0 4 4 13 7 1 0 0 5 5 17 8 1 1 0 6 6 21 9 2 2 2 7 7 27 11 2 4 3 8 8 33 14 2 7 4 9 9 40 19 2 12 6 10 11 48 24 3 18 9 11 12 58 32 3 25 12 12 14 68 41 4 34 16 13 16 80 53 5 46 21 14 19 92 67 6 60 27 15 21 106 83 7 76 33 16 24 122 102 8 95 41 17 27 138 124 10 117 50 18 30 156 149 11 143 60 Verkkokarin ja Telakan mittausasemien resupensiomäärien perusteella (taulukko 2) muodostettiin resuspensiomäärät kaikille Eurajoensalmen syvyysvyöhykkeille eri tuulennopeuksilla (kuva 30). Resuspensiomäärät eri syvyysvyöhykkeille laskettiin interpoloimalla lineaarisen suoran mukaan, jossa Verkkokarin resuspensiomäärä edusti syvyysvyöhykettä 0-1 m ja Telakan resuspensiomäärä vyöhykettä 5-6 m. Näin muodostettujen salmen kaikkien syvyysvyöhykkeiden resuspensiokäyrien ja vyöhykkeiden pinta-alojen mukaan laskettiin koko Eurajoensalmesta rajatulta alueelta eri tuulennopeuksilla resuspensoituvien massojen määrä (kuva 30).