Pintavesien laatu Mitä pintavesien laadulla ja vedenlaatuongelmilla tarkoitetaan? Veden laatua on vaikea määritellä yksiselitteisesti, ja siihen liittyvät ongelmatkin ovat hyvin moninaisia. Vesiekosysteemeissä eliöstön ja kemiallisten ja fysikaalisten tekijöiden väliset vuorovaikutukset ovat monimutkaisia, ja erityisesti sisämaassa ja rannikoilla vesiympäristöt ovat voimakkaasti sidoksissa ympäröivään valuma-alueeseen ja sen ominaisuuksiin. Vesiympäristöihin kohdistuu myös hyvin erilaisia käyttöpaineita. Tavallisimmat vedenlaatuongelmat ja niiden aiheuttajat ovat: Rehevöityminen: Ravinteiden runsas saatavuus Happikato: Runsas orgaanisesti tai biokemiallisesti hajoavan aineen pitoisuus Hygieeniset ongelmat: Patogeeniset eliöt kuten virukset, bakteerit tai alkueläimet Happamoituminen: Happamoittavien aineiden kuten SO x ja NO x päästöt ja laskeumat Toksiset aineet: Raskasmetallit, orgaaniset halogeeniyhdisteet, levämyrkyt jne. Kiintoaine ja sameus: Epäorgaaniset ja orgaaniset partikkelit Suolaantuminen: Suolojen kuten kloridien ja sulfaattien rikastuminen Lämpötilamuutokset: Lämpöpäästöt, muuttuneet sekoittumisolot tai ilmastonmuutos. Vesiä käytetään monin erin tavoin. Eri käyttömuotojen välillä on suuria eroja sen suhteen, mitä vaatimuksia vedenlaadulle on kuin myös sen suhteen, miten käyttö itse vaikuttaa vedenlaatuun. Toiset käyttömuodot ovat herkempiä vedenlaadulle kun toiset, ja toisaalta joillakin käyttömuodoilla voi olla paljon vaikutuksia vedenlaatuun, kun taas toisten vaikutukset ovat paljon vähäisemmät. Vesien käyttöön ja vedenlaatuun voikin liittyä suuria ristiriitoja, ja vedenlaadun hoitamisella pyritään ratkomaan eri käyttömuotojen vastakkainasettelua. Suomessa vesien tilaa heikentävät laaja-alaisimmin rehevöitymistä aiheuttavat korkeat fosfori- ja typpikuormat, jotka ovat peräisin hajakuormituksesta, pistelähteistä ja ilmaperäisestä laskeumasta. Hajakuormituksessa, joka edustaa fosforin osalta yli kolmea neljäsosaa ja typen osalta reilua puolta ihmisen aiheuttamasta kuormituksesta, suuri merkitys on maatalouden päästöillä. Paikallisesti pinta- ja pohjavesien tilaa voivat edelleen heikentää myös esimerkiksi orgaanisen aineksen, metallien ja muiden epäorgaanisten aineiden päästöt. Ojitukset ja maan muokkaukset aiheuttavat myös mm. kiintoaineen huuhtoutumista vesiin. Yleisesti ottaen Suomen pintavesien laatu on monin paikoin parantunut vuosikymmenten kuluessa. Ravinnekuormitus erityisesti yhdyskunnista ja teollisuudesta on pienentynyt selvästi 1980-luvun lopulta lähtien. Myös esimerkiksi massa- ja paperiteollisuuden aiheuttama orgaanisen aineen kuormitus vesiin on vähentynyt. Metallien ja muiden haitallisten aineiden kuormitusvähennysten seurauksena teollisuuden haitalliset vaikutukset purkuvesistöissä ovat yleisesti pienentyneet, tosin esimerkiksi uusien kaivosten alapuolella kuormitus on kasvanut. Pintavesien laadun luokittelu Pintavesien laatua tutkitaan useiden eri kemiallisten ja biologisten analyysien avulla. Tämän vuoksi vedenlaadun havainnointi on yleensä tuntuvasti työläämpää ja kalliimpaa toimintaa kuin veden määrään liittyvä havainnointi. 1
Pintavesien laadun luokittelu on Suomessa perustunut perinteisesti veden käyttökelpoisuuteen ihmisen näkökulmasta, eli luokittelu on tehty esim. vedenhankintaa, kalastusta ja virkistyskäyttöä silmällä pitäen. Tässä ns. yleisessä käyttökelpoisuusluokituksessa käytetyt muuttujat ja niiden kuvaamat laatutekijät ovat: veden happipitoisuus: rehevyys ja orgaanisen aineksen kuormitus väri: humuksen määrä näkösyvyys, sameus: rehevyys, kiintoaineksen määrä ravinnepitoisuus, klorofylli-a:n määrä, levähaitat: rehevyystaso hygienian indikaattoribakteerit: ulosteperäinen saastuminen haitalliset aineet: riski vesistön käytölle ja vesiluonnolle. Pintavesien luokittelussa on siis tähän asti painottunut ihmisnäkökulma, mutta nykyään keskitytään Euroopan Unionin vesipolitiikan puitedirektiivin (VPD) joka on EU:n keskeisin direktiivi pintavesien hoidon suhteen mukaiseen arviointiin, jonka perusteena on vesien ekologinen tila. Tällöin pintavesiä tarkastellaan ihmistoiminnan aiheuttaman muutoksen voimakkuuden perusteella, eli tarkasteltavaa vesimuodostumaa verrataan vastaavanlaiseen vesityyppiin, jossa ihmisen vaikutus on vähäinen. Uudessa luokittelussa esimerkiksi luontaisesti rehevä järvi on ekologisesti hyvässä tilassa, jos ihmisen toiminta ei ole sitä juurikaan muuttanut, vaikka se esim. virkistystoiminnan kannalta ei olisi ihmiselle optimaalinen. Ekologisen tilan luokittelussa tarkastelun kohteena ovat ensisijaisesti biologiset laatutekijät eli planktonlevät, piilevät, vesikasvit, pohjaeläimet ja kalasto (taulukko 1). Lisäksi arvioinnissa otetaan huomioon myös veden laatutekijät (kokonaisravinteet, ph, näkösyvyys) ja hydromorfologiset tekijät (mm. vaellusesteet). Taulukko 1. VPD:ssä luokittelussa käytössä olevat laatutekijät Laatutekijä Joet Järvet Rannikkovedet Kasviplankton x x Vesikasvit x x Piilevät x x Pohjaeläimet x x x Kalat x x Fys.-kem. tekijät (vedenlaatu) x x x Hydrologis-morfologiset tekijät x x x Tuoreimman luokituskierroksen tulosten mukaan Suomen joista 65 %, järvistä 85 % ja rannikkovesistä 25 % on ekologiselta tilaltaan erinomaisia tai hyviä (kuvat 1 ja 2). Hyvää heikommassa tilassa (eli VPD:n tavoitetasoa huonommassa tilassa) on 35 % jokipituudesta, 15 % järvipinta-alasta ja 75 % rannikkovesien kokonaispinta-alasta. Ekologisen tilan lisäksi arvioidaan myös vesien kemiallista tilaa. Arvioinnissa vesissä olevien vaarallisten ja haitallisten aineiden pitoisuuksia verrataan lainsäädännössä asetettuihin ympäristön laatunormeihin. Laatunormit on asetettu yhteensä 53 aineelle/aineryhmälle. Esimerkkejä haitallisista aineista ovat mm. elohopea, kadmium, lyijy, organohalogeeniyhdisteet ja orgaaniset tinayhdisteet. 2
Kuva 1. Suomen pintavesien ekologinen tila, aineisto pääasiassa vuosilta 2006 2012 (Suomen ympäristökeskus ja ELY-keskukset (2014), http://www.ymparisto.fi/pintavesientila) Kuva 2. Ekologisen tilan luokkien osuudet pintavesistä 3
Rehevöityminen on kinkkinen vedenlaatuongelma Rehevöitymisellä tarkoitetaan pintavesien haitallisen korkeaksi koettua biologista tuotantoa, joka ilmenee esimerkiksi veden samentumisena, leväkukintoina, liiallisena suurvesikasvien määränä, kalakuolemina ja rantojen sekä esimerkiksi kalaverkkojen limoittumisena. Rehevöityminen on yksi yleisimmistä vedenlaatuongelmista sisävesissä ja Itämeren merkittävin ympäristöongelma. Rehevöityminen johtuu korkeista ravinnemääristä, mutta prosessi on monimutkainen eikä sen hoito ole yksinkertaista. Ongelmavyyhdin hahmottamisessa auttaa vesiekosysteemin toiminnan perusteiden ymmärtäminen. Auringon säteilyn vuodenaikaisella vaihtelulla on tärkeä merkitys vesiekosysteemeille Suomen leveysasteilla. Vuodenaikaisdynamiikan ymmärtämiseksi on hyvä myös muistaa yksi veden ominaispiirteistä: sen tiheys on suurimmillaan +4 C lämpötilassa. Keväällä jäiden sulamisen jälkeen auringon säteily alkaa lämmittää järven pintakerrosta, jonka lämpötila on talvella ollut lähellä jäätymispistettä. Kun pintaveden lämpötila kohoaa kohti +4 astetta, sen tiheys samalla kasvaa, ja saavutettuaan alusveden lämpötilan pintavesi alkaa sekoittua syvemmälle tuulten vaikutuksesta. Tämän ns. kevättäyskierron seurauksena koko vesipatsas on hetken aikaa tasalämpöinen, vesi hapettuu ja ravinteet sekoittuvat pohjalta koko vesipatsaaseen. Kevään edetessä pintavesi lämpenee edelleen (ja samalla tiheys pienenee), jolloin järveen muodostuu kesäkerrostuneisuus (kuva 3): pinnalla on lämpimämpää ja kevyttä päällysvettä (epilimnion) kylmemmän ja raskaamman alusveden (hypolimnion) päällä. Näiden väliin jää harppauskerros (termokliini), jossa veden lämpötila muuttuu jyrkästi. Syksyllä auringon säteily vähenee ja päällysveden ja alusveden lämpötilaero alkaa taas pienentyä. Kesäkerrostuneisuus päättyy syystäyskiertoon, joka jatkuu usein jäiden tuloon saakka. Talvella järvessä vallitse käänteinen kerrostuneisuus, eli pinnalla on lähes 0-asteista kevyttä vettä ja syvemmällä on hieman lämpimämpää ja raskaampaa vettä. Lämpötilakerrostuneisuudella on Suomen järvissä suuri merkitys, sillä se eristää päällysveden ja alusveden toisistaan, millä on selkeä vaikutus vedenlaatuun. Perustuotanto tapahtuu päällysvedessä, jossa auringonvaloa on riittävästi yhteyttämiseen. Alemmissa kerroksissa perustuotantoa ei ole, mutta hajotus- ja hengitystoiminnot kuluttavat happea ja tuottavat hiilidioksidia. Talvella perustuotanto on olematonta ja hajotusprosessit hallitsevat koko vesimassassa. Päällysvesi: lämmintä, perustuotantoa, O 2, CO 2 Harppauskerros: jyrkkä muutos lämpötilassa Alusvesi: kylmää, hajotustoimintaa, ei perustuotantoa, O 2, CO 2 Kuva 3. Lämpötilakerrostuneisuus järvessä kesällä 4
Perustuotantoa rajoittavat talvella alhainen lämpötila ja valon määrä. Keväällä valo lisääntyy, lämpötila kohoaa ja vedessä on talven hajotustoiminnan takia paljon ravinteita, minkä takia perustuotanto kasvaa nopeasti: puhutaan kevätkukinnasta. Hiljalleen kuitenkin pintavedessä käytössä olevat ravinteet on käytetty loppuun, ja kevätkukinta loppuu. Tähän vaikuttaa myös lisääntynyt eläinplanktonin laidunnuspaine. Kesällä ravinteiden vähyys ja eläinplanktonin laidunnus rajoittaa perustuotantoa. Syksyllä vesien sekoittuminen nostaa pintaan lisää ravinteita ja perustuotanto voi vielä hetkellisesti kasvaa, mutta kohti talvea mentäessä valon määrän vähentyminen ja lämpötilan lasku johtaa myös perustuotannon voimakkaaseen vähenemiseen. Pohdittavaa: Miten pintaveden happamuus eli ph kytkeytyy perustuotannon määrään ja minkä vuoksi rehevän järven pintakerros voi päivällä olla emäksinen ja yöllä hapan? Biologisen tuotannon kannalta keskeisiä ravinteita ovat typpi (N) ja fosfori (P). Ne ovat vesiekosysteemissä yleensä minimitekijöitä, eli niiden niukkuus rajoittaa perustuotantoa keväästä syksyyn, kun valoa ja lämpöä on tarpeeksi. Yleistäen voidaan sanoa, että sisävedet (ja esim. Perämeri) ovat yleensä fosforirajoitteisia, kun taas avomerialueet ovat typpirajoitteisia. Typpi ja fosfori poikkeavat toisistaan sekä biologisilta vaikutuksiltaan että vesiensuojelumielessä. Fosforin alkuperä on mineraalinen, eli sitä päätyy luontaisesti vesistöihin kallioperän ja maaperän rapautumisen seurauksena. Fosfori esiintyy luonnossa epäorgaanisessa muodossa fosfaatteina sekä orgaanisessa muodossa eliöihin sitoutuneena. Eliöiden kuollessa hajotustoiminta vapauttaa fosforin taas ympäristöön. Fosforille on tyypillistä sen adsorboituminen sedimenttipartikkeleihin ja sitoutuminen metalleihin, kuten rautaan ja alumiiniin. Tällöin fosfori sedimentoituu järven pohjalle eikä ole perustuottajille enää käytössä. Vähähappisissa olosuhteissa fosfori kuitenkin liukenee takaisin veteen. Tätä ilmiötä kutsutaan sisäiseksi kuormitukseksi. Typen kierto luonnossa on monimutkainen kokonaisuus, jossa erilaisilla bakteereilla on suuri merkitys. Typpi on ilmakehän yleisin kaasu, ja sitä liukenee veteen molekulaarisena typpenä (N 2 ). Vain harvat eliöt pystyvät käyttämään tätä typen muotoa hyväkseen, sillä typpimolekyylissä olevan kolmoissidoksen murtaminen vaatii paljon energiaa. Eräät bakteerit, joista tunnetuimpia ovat syanobakteerit eli sinilevät, pystyvät kuitenkin käyttämään N 2 -typpeä, ja muuttamaan sen ammoniumtypeksi (NH 4 + ) (typensidonta). Myös eliöiden kuollessa niiden soluissa oleva orgaaninen typpi vapautuu mikrobien toimesta ammoniumiksi (mineralisaatio). Tämä muuttuu hapen läsnä ollessa toisten bakteerien toimesta nitriitiksi (NO 2 - ) ja nitraatiksi (NO 3 - ) (nitrifikaatio), jota suurin osa perustuottajista käyttää (ammoniumtypen lisäksi) kasvuunsa. Hapettomissa olosuhteissa bakteerit hajottavat nitraattia ja nitriittiä typpikaasuksi (denitrifikaatio), joka poistuu joko ilmaan tai otetaan uudelleen käyttöön typensidonnan kautta. Kun vesiekosysteemiin tulee ulkopuolelta lisää ravinteita, perustuotanto kasvaa. Tämän seurauksena myös kuollutta orgaanista ainesta vajoaa pohjalle enemmän, mikä kiihdyttää hajotustoimintaa ja kuluttaa happea. Jos järvi on voimakkaasti kerrostunut, saattaa happi kulua pohjalta loppuun ennen seuraavaa täyskiertoa. Vähähappisissa olosuhteissa sedimenteistä alkaa liueta sinne varastoitunutta fosforia, mikä entisestään lisää perustuotantoa ja tätä kautta hajotustoimintaa ja hapenkulutusta. Tällöin joudutaan noidankehään, joka vahvistaa itse itseään, vaikka ulkopuolista kuormitusta vähennettäisiinkin. Yksi rehevöitymiseen liittyvistä vedenlaatuongelmista on sinilevien massaesiintyminen erityisesti loppukesällä ja alkusyksystä. Jos pintavedessä on fosforia ja vesi on lämmintä, saavat sinilevät kilpailuedun muihin kasviplanktonlajeihin nähden. Tällöin ne saattavat muodostaa laajoja esiintymiä veden pinnalle ja rannoille. Osa sinilevistä on myrkyllisiä ja aiheuttavat monenlaista 5
haittaa veden käytölle. Sinilevät myös tuovat uutta typpeä systeemiin, mikä lisää rehevöitymistä entisestään. Sekä typen että fosforin kiertoon liittyy siis pintavesissä noidankehä, joka lähtee käyntiin, kun ekosysteemi rehevöityy riittävästi (kuva 4). Tässä fosfori on yleensä vesiensuojelullisesti avainasemassa. Tämä johtuu siitä, että typen kierto kytkeytyy ilmakehään, ja jos ekosysteemistä loppuu typpi, kompensoi järjestelmä tämän puutteen sitomalla ilmakehästä sitä lisää. Vastaavanlaista prosessia ei ole fosforilla, eli vaikka fosforiakin vapautuu pohjasedimenteistä, tämä edellyttää vähähappisia olosuhteita, johon on yleensä myötävaikuttanut ekosysteemiin jo tullut runsas fosforikuormitus. Täten rehevöitymisen vesiensuojelullinen avain on vesiekosysteemiin tulevien fosforivirtojen rajoittaminen. Toisaalta esimerkiksi Itämeren ulapan kasviplanktonin kevätkukinta (jonka voimakkuus vaikuttaa pohjalle vajoavan orgaanisen aineksen määrään) on typpirajoitteinen, eli typen määrän vähentäminen voi pienentää perustuotantoa tältä osin. Vain typpikuorman pienentäminen ei yleensä kuitenkaan ole mielekäs ratkaisu, vaan typpeä on syytä rajoittaa vain fosforin kanssa yhdessä. Jos vedessä fosforia ja vesi lämmintä sinilevät runsastuvat ja sitovat typpeä lisää ravinteita systeemiin Jos happi kuluu loppuun, P alkaa vapautua sedimentistä lisää ravinteita systeemiin Päällysvesi: O 2, CO 2 Harppauskerros: Estää liuenneiden kaasujen ja ravinteiden siirtymisen alus- ja päällysveden välillä Alusvesi: O 2, CO 2 Kuva 4. Veden kerrostuneisuus vaikuttaa rehevöitymisen noidankehän syntyyn Pohdittavaa: Miksi järveen tulevan typpikuormituksen määrän vähentämisellä saatetaan jopa lisätä mahdollisesti myrkyllisten levien esiintymistä? Toimenpiteet: Miten veden laatuun voidaan vaikuttaa? Pintavesien veden laadun parantamiseen käytetään monenlaisia lähestymistapoja (taulukko 2). Niillä pyritään muuttamaan joko vesistön hydrologiaa, virtausoloja, kemiaa, ja/tai biologiaa. Soveltuvuus on tapauskohtaista ja riippuu siitä, minkälainen vedenlaatuongelma on kyseessä, mitkä ovat taloudelliset mahdollisuudet suhteessa tavoitteisiin, ja minkälaiset ovat vesistön luontaiset piirteet. Usein veden laadun pysyvä parantuminen voi edellyttää monien menetelmien käyttöä joko yhdessä tai peräkkäin. 6
Taulukko 2. Veden laadun parantamiseen tähtääviä toimenpiteitä 7
8