Loppuraportti Luonnonmukaisen kuivatushankkeen vesistövaikutukset ja uomassa tapahtuvat muutokset Helsinki 29.4.2011
Luonnonmukaisen kuivatushankkeen vesistövaikutukset ja uomassa tapahtuvat muutokset Asko Särkelä 1, Harri Aulaskari 2, Kaisa Västilä 3 1 Vantaanjoen ja Helsingin seudun vesiensuojeluyhdistys ry asko.sarkela@vesiensuojelu.fi 2 Uudenmaan ELY-keskus harri.aulaskari@ely-keskus.fi 3 Aalto-yliopisto kaisa.vastila@aalto.fi Tämä loppuraportti on koottu kolmesta osin erillisestä hankkeeseen liittyvästä osahankkeesta: 1) Uudenmaan ELY-keskuksen luonnonmukainen peruskuivatushanke 2) Vantaanjoen ja Helsingin seudun vesiensuojeluyhdistyksen pääosin suorittama veden laadun seuranta 3) Aalto-yliopiston eroosio- ja kulkeutumisprosesseihin liittyvä tutkimus Tavoitteet Tutkimuksen tavoitteena on lisätä ymmärrystä luonnonmukaisten kuivatushankkeiden vaikutuksista vedenlaatuun, kiintoaineprosesseihin ja uomamorfologiaan. Tutkimuksen tuottaman tiedon avulla voidaan kehittää luonnonmukaisen vesirakentamisen menetelmiä sekä virtavesien hydraulista ja geomorfologista mallinnusta, jota käytetään työkaluna esimerkiksi vesistöjen kunnostusten, valumavesien käsittelyn ja luonnonmukaisen tulvanhallinnan suunnittelussa. Tutkimusosapuolet ja yhteistyö Tutkimuksen toteuttivat Vantaanjoen ja Helsingin seudun vesiensuojeluyhdistys ja Aalto-yliopiston (ent. Teknillisen korkeakoulun) vesitekniikan tutkimusryhmä. Vesiensuojeluyhdistys (ympäristöasiantuntija Asko Särkelä, toiminnanjohtaja Kirsti Lahti) vastasivat vedenlaatuun liittyvästä tutkimuksesta. Aalto-yliopiston (tekniikan tohtori Juha Järvelä, tutkija Kaisa Västilä) vastasivat kiintoaineprosesseihin ja uomamorfologiaan liittyvästä tutkimuksesta. Luonnonmukainen vesirakentaminen on yksi vesitekniikan tutkimusryhmän keskeisistä tutkimusaiheista, ja tämä tutkimus pohjautuu ryhmän aiempiin tutkimuksiin. Tutkimus tehtiin yhteistyössä Uudenmaan ympäristökeskuksen (1.1.2010 lähtien Uudenmaan ELYkeskus) kanssa Sipoon Ritobäcken-purolla vuosina 2009 2011 ja se jatkuu Aalto-yliopiston osalta vuoden 2013 loppuun. Uudenmaan ELY-keskus (Harri Aulaskari) vastasi luonnonmukaisen peruskuivatushankkeen suunnittelusta ja toteutuksesta. 1. Uudenmaan ELY-keskuksen luonnonmukainen peruskuivatushanke Taustaa Luonnonmukaisen peruskuivatuksen menetelmien kehittämiseen ja testaamiseen sopivia alueita selvitettiin vuonna 2009 Uudenmaan ympäristökeskuksen johdolla (1.1.2010 lähtien Uudenmaan ELY-keskus). Koekohteeksi etsittiin maatalousvaltaisella alueella virtaavaa puroa, joka edustaa
maankäytön, maaperän ja kaltevuuden kannalta katsottuna tyypillistä peruskuivatuskohdetta. Selvitysten perusteella Sipoonjoen vesistöalueella sijaitseva Ritobäcken soveltui hyvin koekohteeksi. Valintaan vaikutti myös maanomistajien aloitteellinen ja myötämielinen suhtautuminen hankkeeseen. Hankkeen suunnittelu Hankealue ja erityisesti sen alaosa kärsi huonosta kuivatustilanteesta. Keväällä ja syksyllä vesi seisoi usein pelloilla ja vaikeutti maanviljelyä. Kasvukaudella runsaammat sateet aiheuttivat haittoja lähes koko hankealueella uoman heikon vetokyvyn takia. Suunnitteluhanke käynnistettiin kesällä 2009 ja Uudenmaan ympäristökeskus teki hankealueen maastomittaukset ja kaivutyön suunnittelun. Tulosten perusteella kaivutarvetta oli noin 800 metrin matkalla. Mitoitussuunnitelman teki ympäristötekniikan insinööritoimisto Jami Aho. Mitoituksen reunaehdot määritettiin seuraavasti: Tulvatasanteen kaivu tulee tehdä vain toispuolisena kaivuna Kuivatussyvyyttä ei lisätä Nykyisen uoman pohja ja leveys jätetään ennalleen Keskivirtaamalla virtauksen tulisi tapahtua vanhassa uomassa Tulvavirtaamilla virtaus leviää tulvatasanteelle. Mitoituksella ei pyritä tulvien täydelliseen poistamiseen, vaan tulvia pienennetään mahdollisimman paljon. Tavoitteena on kerran kymmenessä vuodessa tai useammin toistuvan tulvan poistaminen/pienentäminen Tavoitteena on leikata tulvan kestoa ja toistuvuutta Tierummun alapuolinen alue on suojeltua aluetta, jolla ei tehdä kaivutöitä, vaan ainoastaan raivausta ja siivousta uoman kohdalla Rumpuihin ei tehdä muutoksia Kaivuun voidaan käyttää peltopinta-alaa noin 3 metrin leveydeltä koko uoman varrelle laskettuna Hankealue sijaitsi Sipoonjoen Natura-alueella. Natura-alueeseen kuuluu ainoastaan vesialueita, joilla suojelutavoitteet toteutetaan vesilain nojalla. Suojelun tavoitteena on säilyttää vielä varsin luonnontilaisina säilyneet jokiosuudet hydrologialtaan ja veden ja pohjan laadultaan sellaisina, etteivät luontotyyppien ja eliölajien (erityisesti meritaimenen) suojeluarvot vaarannu. Hankealue sijaitsi peltojen keskellä avoimella peratulla osuudella, jolla ei ollut Sipoonjoen Natura-alueen perusteissa olevia luontotyyppejä. Hankkeessa pyrittiin vähentämään uomaan ja alapuolisille arvokkaille alueille pääseviä ravinne- ja kiintoainehuuhtoumia ja vähentämään meritaimenelle tärkeiden lisääntymis- ja elinalueiden liettymisriskiä. Suunnitelmasta pyydettiin Uudenmaan ympäristökeskukselta lausunto vesilain mukaisen luvantarpeesta ja hankkeelle haettiin Sipoon kunnalta MRL 128 mukainen maisematyölupa sekä MRL 144 mukainen aloittamislupa. Suunnitelman mukaisille toimenpiteille hankittiin maanomistajien kirjalliset suostumukset. Hankkeen toteuttaminen Kaivutyö toteutettiin helmikuussa 2010 ja työ kesti kaksi viikkoa. Hankkeen kokonaiskustannusarvio oli 15 000 (alv 0%) ja toteutuneet kustannukset olivat 12 329,46 (alv 0%). Kustannuksiin vaikutti nostavasti runsasluminen talvi ja siitä aiheutuneet arvioitua suuremmat aurauskustannukset, mutta muilta osin työ saatiin toteutettua alle kustannusarvion. Kaivumassoja kertyi 2 500 m 3 ja ne levitettiin yhteistyössä maanomistajien kanssa puintien jälkeen syksyllä 2010. Samassa yhteydessä tierummun alapuoliselta alueelta poistettiin uomaan kaatunutta puuainesta.
Kuva 1. Luonnonmukaisen peruskuivatushankkeen hankealue. Kuva 2. Uoman pituusleikkaus ja tulvatasanteen oletettu vaikutus tulviin keskiylivirtaamalla.
Hankealueella päätettiin tehdä syksyllä 2010 uoman tarkistusmittauksia ja tuloksia verrattiin suunnitteluvaiheen mittauksiin. Mittauksilla haluttiin selvittää onko tulvatasanteen kaivulla ollut vaikutusta uoman pohjan korkeustasoihin ja uomaeroosioon. Vertailussa todettiin, että uoman pohjan korkeuden erot ennen ja jälkeen kaivutyön olivat erittäin pieniä ja mahtuivat pääsääntöisesti mittaustarkkuuden sisään. Uoman pohjan korkeuserot olivat enimmillään 9-10 cm, mutta pääosin erot olivat 0-3 cm. Mittausten perusteella voidaan todeta, ettei kaivutyö aiheuttanut haitallisia muutoksia koskemattomaksi jätettyyn uomaan eikä alapuoliseen vesistöön. Kuivatushankkeen onnistuminen Hyvin runsaslumisten talvien 2009 2010 jälkeisten keväiden 2010 ja 2011 kokemusten perusteella tehty luonnonmukainen kuivatushanke näytti toteutuneen suunnitellulla tavalla. Alueen tulvaherkkien peltojen kuivatustilanne parani huomattavasti. Vesi pysyi uomassa eikä tulvinut alueen tulvaherkille alueille. 2. Vantaanjoen ja Helsingin seudun vesiensuojeluyhdistyksen pääosin suorittama veden laadun seuranta Veden laadun tarkkailu Hankkeen aikana alueen näytteenottopisteistä (4 pistettä, kuva 3) otettiin havaintopaikasta riippuen kaksi - yhdeksän vesinäytettä ennen kunnostusta, kunnostusten aikana ja kevättulvan aikaan sekä kunnostuksen jälkeen loppuvuodesta 2010. Näytteet analysoitiin Helsingissä sijaitsevissa MetropoliLab -laboratoriossa (seitsemän näytteenottokertaa) ja Suomen ympäristökeskuksen Hakuninmaan laboratoriossa (kaksi näytteenottokertaa). Analyysitulokset on koottu tämän loppuraportin liitteeksi 1.
H 0,9 H 1,5 H 2,3 R 0,6 Kuva 3. Veden laadun näytteenottopisteet. Aalto-yliopiston automaattinen veden laadun mitta-anturi sijaitsi näytteenottopisteessä H 0,9, toinen anturi, joka asennettiin myöhemmin, sijaitsi ko. pisteestä noin 200 metriä ylävirtaan. Ojan veden laatu ennen kunnostusta Ennen kunnostusta otetuissa näytteissä (2.11.2009 ja 25.1.2010) kunnostusalueen alapuolisessa pisteessä (H 0,9) veden laatu oli heikompi kuin yläpuolisessa havaintopisteessä (R 0,6); sameus, ulosteperäiset bakteerit sekä ravinne- ja kiintoainepitoisuudet, olivat hieman korkeammat. Tämä johtui pääosin kunnostusalueen keskiosan sivu-uoman tuomasta ravinteikkaammasta vedestä. Sivuuoman varren pellot ovat huomattavasti jyrkemmät ja sen valuma-alueella on paljon kiinteistökohtaisen jätevedenpuhdistuksen varassa olevaa asutusta. Näytteenottopisteiden H 1,5 ja H 2,3 korkea sähkönjohtavuus (etenkin H 1,5) sekä kohonneet ulosteperäisten bakteerien määrät ja ammoniumtypenpitoisuudet ilmentävät ulosteperäistä kuormitusta. Ojaveden sameus sekä ravinneja kiintoainepitoisuudet Ritobäckenillä olivat samaa suuruusluokkaa, kuin vesiensuojeluyhdistyksen vastaavassa peltovaltaisen tutkimusalueen ojan automaattiseurantapisteessä Nurmijärven Lepsämänjoen sivuhaarassa.
Veden laatu kunnostuksen aikana Kunnostustöiden ollessa noin puolivälissä (8.2.2010) kunnostusalueen alapuolisen havaintopisteen (H 0,9) veden laatu heikkeni kunnostusta edeltäneeseen aikaan ja kunnostusalueen yläpuoliseen pisteeseen nähden. Pitoisuudet olivat kuitenkin yllättävän alhaisia. Sivu-uoman pisteessä (H 1,5) havaittiin edelleen selkeää jätevesikuormitusta. Mahdollisten vaurioiden välttämiseksi automaattinen veden laadun mitta-anturi päätettiin poistaa uomasta kunnostustöiden ajaksi mahdollisten jäitten aiheuttamien vaurioiden välttämiseksi. Kuitenkin aivan kunnostustöiden loppuvaiheessa automaattianturi asennettiin jälleen uomaan. Kunnostustöiden loppuvaiheessa (11. 12.2.2010) alueen alapuolisen havaintopaikan sameudet nousivat huomattavasti; kaivuun vaikutus ojaveden laatuun oli kuitenkin yllättävän vähäinen. Sameus oli korkeimmillaan vain 320 NTU:ta. Ojaveden kuljettama aines oli karkeaa, GF/C ja NPC analyysimenetelmillä määritetyt kiintoainepitoisuudet olivat lähes yhtä suuret. Kevätsulannan alkuvaiheissa otetussa näytteessä (31.3.2010) havaittiin korkeita kokonais- ja nitraattityppipitoisuuksia, mutta sameudet (noin 30 NTU:ta) ja kiintoainepitoisuudet olivat yllättävän alhaisia, eivätkä ne juuri nousseet tulva-aikaankaan (6.4.2010) sen korkeammalle tasolle. Valkama ym. (2007) ovat havainneet jopa 4 000 NTU:n sameuksia kevättulvan aikaan peltovaltaisen valuma-alueen ojavedessä. Huolimatta hyvin kylmästä alkutalvesta 2010, poikkeuksellisen runsaasta suojaavasta lumipeitteestä johtuen routaa ei ollut päässyt muodostumaan, vaan vedet suotautuivat salaojien kautta eikä pintavaluntaa juuri esiintynyt. Pintavalunnan puutteesta kertoo myös se, että kaivuualueen sivu-uoman havaintopisteen (H 1,5) sameudet ja kiintoainepitoisuudet olivat hyvin alhaisia, vaikka sen varren pellot ovat hyvin jyrkkiä ja ne oli kynnetty syksyllä 2009. Myös veden kokonaisfosforipitoisuudet olivat tulva-aikaan alhaisia. Pitoisuudet olivat alhaisia myös suhteessa veden sameuteen. Uoman kuljettama kiintoaine oli siis suurelta osin peräisin fosforiköyhästä jankosta. Tulva-aikana ei juuri havaittu eroja kunnostusalueen ylä- ja alapuolisen havaintopisteen välillä. Itse asiassa kiintoainepitoisuudet olivat hieman suurempia yläpuolisessa pisteessä. Lähteet: Valkama, P., Lahti, K. & Särkelä, A. 2007 Automaattinen vedenlaadun seuranta Lepsämänjoella. Terra 119(3 4): 195 206. 3. Aalto-yliopiston eroosio- ja kulkeutumisprosesseihin liittyvä tutkimus Sedimentaatio- ja kulkeutumisprosessien tutkiminen Aalto-yliopiston Vesitekniikan tutkimusryhmä aloitti syksyllä 2009 seurantatutkimuksen Ritobäckenillä. Hankealueelle on asennettu kaksi jatkuvatoimista mittausasemaa ja sääasema, joilla mitataan mm. vedenlaatua, virtaamia ja sääolosuhteita. Tutkimuksessa selvitetään tulvatasannekasvillisuuden vaikutusta virtaukseen, eroosioon ja sedimentin kasaantumiseen nurmelle kylvetyllä, pajupistokkaita istutetulla ja kasvittomalla koealalla. Tutkimuksessa määritetään sedimenttiprosessien ja uoman vedenjohtokyvyn vaste
kasvillisuuden kehitykseen 3 vuoden aikana sekä tarkastellaan kasvillisuuden aiheuttamia vuodenaikaisvaihteluja. Tutkimuksen päämääränä on lisätä ymmärrystä sedimentti- ja virtausprosesseista luonnonmukaisissa uomissa. Osalle Uudenmaan ELY-keskuksen Ritobäckenillä toteuttaman luonnonmukaisen kuivatushankkeen tulvatasannetta on perustettu kasviton seuranta-ala sekä nurmea, pajua ja luontaisesti kehittyvää kasvillisuutta kasvavat koealat. Koealoilla on alettu seurata mm. kasvillisuuden rakenteen, biomassan ja lehtialan kehitystä sekä vaikutusta kiintoaineen kasautumiseen, eroosioon ja uoman virtausvastukseen. Uoman sameus ja vedenkorkeus sekä alueen säätila on mitattu jatkuvatoimisilla antureilla 5 15 minuutin välein. Ensimmäinen mittausasema perustettiin syksyllä 2009 ja toinen, noin 200 m ylävirtaan sijaitseva asema helmikuussa 2010. Vesinäytteitä on otettu sekä manuaalisesti että automaattisella näytteenottimella eri virtaamilla ja vuodenaikoina. Näytteistä on analysoitu Aalto-yliopiston Vesitekniikan laboratoriossa mm. kiintoainepitoisuus karkeilla (GF-52; 1,2 m) ja hienoilla (Nuclepore, 0,4 m) suodattimilla sekä sameus. Virtaama ja kiintoainepitoisuus on määritetty anturien mittaamista arvoista uoman purkautumiskäyrän ja eri suodattimille saatujen sameus kiintoainekorrelaatioiden avulla (kuva 4). Alempana esitetyissä kuvissa 5-7 kiintoainepitoisuus on laskettu GF-suodattimilla. Kuva 4. Sameus ja kiintoainepitoisuus korreloivat tutkimusojalla hyvin keskenään. Ojassa kulkeva kiintoainepitoisuus määritettiin automaatti-anturin sameusarvojen ja korrelaation perusteella. Tulvatasanteen kaivu nosti sameutta ja kiintoainepitoisuutta selvästi silloin, kun kaivu tapahtui alle 200 m päässä mittausasemasta (kuva 5).
Kuva 5. Tulvatasanteen kaivun aiheuttama kiintoainepitoisuuden vaihtelu automaattianturipisteellä. Kaivun aikainen kiintoainekuorma muodosti kuitenkin arviolta vain noin 2 % vuotuisesta kiintoainekuormasta. Ensimmäisen vuoden anturiaineiston perusteella (kuva 6.) uomaeroosio oli merkittävää vain kevättulvan aikana, luultavasti paljaasta tulvatasanteesta ja luiskista johtuen.
Kuva 6. Virtaama- ja kiintoainedynamiikka eri vuodenaikoina. Kunnostus tehtiin helmikuussa 2010. a) ennen kunnostusta, b) kunnostuksen jälkeen Sadantatapahtumien aikana kiintoainepitoisuudessa esiintyi voimakasta positiivista hystereesiä. Peräkkäisten sadantatapahtumien tarkastelu osoitti, ettei hystereesi selittynyt sedimentin resuspensiolla uoman pohjasta vaan johtui pääasiassa eroista kuivatustehokkuudessa valuma-alueen maatalous- ja metsäalueiden välillä (kuva 7). Salaojitettujen maatalousalueiden suurempi ominaiskuormitus selitti virtaaman nousuvaiheiden suuret pitoisuudet. Laskuvaiheissa pitoisuudet olivat pienempiä, sillä pääosin ojittamattomien metsäalueiden tuottaman valunnan osuus kasvoi. Maatalous- ja metsäalueilta tulevan valunnan sekoittuminen aiheutti huomattavaa hajontaa laskennassa yleisesti käytettäviin virtaama kiintoaine-korrelaatioihin. Vähävetisenä syksynä 2010 uomaan kasaantui sedimenttiä suuren kiintoainepitoisuuden ja uomakasvillisuuden aiheuttaman virtausvastuksen takia, mutta kasautuminen oli selvästi keväistä eroosiota vähäisempää.
Kuva 7. Peräkkäisten sadetapahtumien aiheuttamat kolme hystereesi-ilmiötä. Kaiken kaikkiaan havaittiin, että uoman ulkopuoliset prosessit säätelivät uomaan tulevan kiintoaineen määrää ja ajoitusta kevättulvaa lukuun ottamatta. Uomaan tulevan kiintoaineen käyttäytymistä virtauksessa ohjailivat sekä kiintoainepitoisuus että kasvillisuuden aiheuttama kuljetuskapasiteetin aleneminen. Uomia suunniteltaessa tulisikin kiinnittää huomiota valuma-alueen maankäyttöön ja kuhunkin maankäyttötyyppiin liittyvään kiintoainekuormaan. Seurantaa jatketaan Aalto-yliopistossa noin kolmen vuoden ajan. Näin saadaan selville esimerkiksi kevättulvan aikainen uomaeroosio, kun tulvatasanteelle on kehittynyt suojaavaa kasvillisuutta. Lisäksi pystytään mittaamaan uomaeroosion, virtausvastuksen ja vedenjohtavuuden kehitystä kasvillisuuden runsastumisesta johtuen. Projektiin liittyvät julkaisut: Västilä, K. 2010 Cohesive sediment processes in vegetated flows: preliminary field study results. Proceedings of River Flow 2010 conference, 8. 10.9.2010, Braunschweig, ss. 317 324. Västilä, K. & Järvelä, J. 2010 Hydraulic and sediment considerations in designing environmentally preferable drainage channels: experiences from a field demonstration site. Proceedings of 8th International Symposium on Ecohydraulics, 12. 16.9.2010, Soul, ss. 734 741. Västilä, K., Jalonen, J. & Järvelä, J. Sedimenttiprosessien vaikutukset luonnonmukaisten uomien suunnitteluun. Lähetetty arvioitavaksi Vesitalous-lehteen. Västilä, K. & Järvelä, J. 2011. Environmentally preferable two-stage drainage channels: considerations for cohesive sediments and conveyance. International Journal of River Basin Management (painossa). DOI: 10.1080/15715124.2011.572888 Ritobäckenin tutkimusta on lisäksi esitelty paikallisille Sipoon Sanomissa lokakuussa 2010 julkaistussa yleistajuisessa artikkelissa ja laadittu esite 2010. Hankkeesta järjestetään tiedotustilaisuus 6.6.2011 klo 10 paikan päällä Ritobäckenillä.
Liite 1. Analyysitulokset tutkimusjakson aikana havaintopisteittäin. Analyysi H 0,9 E. coli mpn/ 100 ml Enterokokit pmy/ 100 ml Sameus NTU Kiintoaine GF/C, mg/l Kiintoaine NPC, mg/l Johtokyky ms/m Väriluku mg Pt/l KOKN µg/l NO 2 + NO 3 µg/l 2.11.2009 15 5 19 9,7 16 6,6 160 610 191 19 25 3 ennen NH 4 µg/l KOKP µg/l PO 4 µg/l Kunnostus 25.1.2010 37 39 29 18 28 9,7 860 270 120 44 5 ennen - 12 8.2.2010 72 24 44 34 39 8,9 920 240 170 52 30 kunnostus - 2 11.2.2010 320 320 340 6,8 1 700 270 110 270 4 kunnostus - 10 12.2.2010 250 330 300 7 1 500 270 110 230 5 kunnostus - 9 25.3.2010 33 6 26 15 30 8,1 980 410 110 42 7 sulanta - 4 31.3.2010 30 21 32 13 30 8,5 2 900 2 200 41 78 23 sulanta 4 6.4.2010 6 7 30 61 73 5,4 1 400 770 33 81 18 tulva 7 23.11.2010 93 25 16 7,9 18 10,6 100 1100 714 46 42 6 syksy R 0,6 2.11.2009 13 13 16 7,2 14 4,7 160 540 103 11 26 2 ennen 25.1.2010 10 8 26 16 32 5,6 660 160 91 40 17 ennen - 12 8.2.2010 73 15 29 25 36 5,3 710 130 120 43 5 kunnostus - 2 25.3.2010 35 11 22 11 23 5,6 840 270 100 36 7 sulanta - 4 31.3.2010 17 24 30 15 32 6,5 2 200 1 600 34 64 17 sulanta 4 6.4.2010 21 7 30 80 97 4,5 1 100 480 44 92 19 tulva 7 23.11.2010 34 17 13 6,1 14 7,7 150 840 382 36 32 6 syksy H 1,5 25.1.2010 190 150 32 21 28 11,3 1 400 560 260 59 8 ennen - 12 8.2.2010 150 22 26 24 31 11,8 1 300 510 290 57 8 kunnostus - 2 25.3.2010 17 4 30 27 37 10,9 1 400 720 170 79 10 sulanta - 4 31.3.2010 91 25 32 14 34 10,2 3 800 3 100 57 95 31 sulanta 4 6.4.2010 11 9 19 12 22 6 1 600 1 200 24 60 22 tulva 7 23.11.2010 150 17 17 8,1 19 12,7 100 1 200 740 100 40 14 syksy H 2,3 2.11.2009 120 0 23 12 20 6,5 160 730 258 35 38 8 ennen 23.11.2010 170 17 15 5 24 8,8 120 1 000 526 130 43 19 syksy Ilma 0 C