Tilastollinen analyysi turvetuotannon vesistökuormitukseen vaikuttavista tekijöistä

Tilastollinen analyysi turvetuotannon vesistökuormitukseen vaikuttavista tekijöistä Tapio Tuukkanen 1, Bjørn Kløve 1, Hannu Marttila 1, Kaisa Heikkinen 2, Anssi Karppinen 1 1 Oulun yliopisto, Vesi- ja ympäristötekniikan laboratorio, PL 4300, 90014 Oulun yliopisto 2 Suomen Ympäristökeskus SYKE, Vesienhoitoyksikkö, PL 413, 90014 Oulun yliopisto

1 Johdanto... 4 2 Pintavalutuskenttien ja vesiensuojelukosteikkojen keskeiset puhdistusprosessit sekä teoreettinen tausta kuormituksen ja ainepoistumien arvioinnille... 4 2.1 Kiintoaineen ja ravinteiden huuhtoutuminen turvetuotantoalueilta... 4 2.1.1 Kiintoainekuormitus... 4 2.1.2 Ravinnekuormitus ja orgaaninen aines... 5 2.2 Pintavalutuskenttien ja vesiensuojelukosteikkojen rakenne ja mitoitus... 7 2.3 Keskeiset puhdistusprosessit vesiensuojelukosteikoilla... 9 2.3.1 Kiintoaine... 9 2.3.2 Fosfori... 10 2.3.3 Typpi... 10 2.4 Laskentamallit aineiden poistumalle pintavalutuskentillä ja vesiensuojelukosteikoilla... 12 2.4.1 Teoria... 12 2.4.2 Ensimmäisen kertaluvun mallin havainnollistaminen... 13 3 Aineisto... 15 3.1 Tutkimuskohteet... 15 3.2 Vedenlaadun ja kuormituksen seuranta... 17 3.3 Kenttähavainnot ja käytetyt tietokannat... 18 4 Menetelmät... 18 4.1 Pitoisuusreduktioiden laskenta... 18 4.2 Pintavalutuskenttien ja ojitettujen vesiensuojelukosteikkojen puhdistustehokkuuden kuvaaminen indeksiluvun avulla... 19 4.3 Tilastollinen analyysi... 20 5 Tulokset ja tulosten tarkastelu... 21 5.1 Tuotantoalueelta purkautuvan valumaveden laatu ja siihen vaikuttavat tekijät... 21 5.1.1 Valumaveden ainepitoisuudet ja kuormitus ennen pintavalutuskenttiä ja kosteikkoja... 21 5.1.2 Virtaaman ja valunnan vaikutus kiintoaine- ja ravinnehuuhtoumiin ja kuormitukseen... 25 5.1.3 Valumaveden ainepitoisuuksien keskinäinen riippuvuus... 30 2

5.1.4Tuotantoalueen paikallisten ominaisuuksien vaikutus kiintoaine- ja ravinnehuuhtoumiin... 32 5.2 Pintavalutuskentillä ja ojitetuilla vesiensuojelukosteikoilla saavutettavat puhdistustehokkuudet ja niihin vaikuttavat tekijät... 38 5.2.1 Koekohteiden keskimääräiset puhdistustehokkuudet... 38 5.2.3 Vesiensuojelukosteikkojen rakenteellisten tekijöiden vaikutus puhdistustehokkuuteen.. 51 5.2.5 Pintavalutuskenttien suunnittelu ja vesiensuojelun toteutuminen... 59 5.3 Tutkimuksen keskeiset epävarmuustekijät ja virhelähteet... 62 5.3.1 Puutteet seuranta-aineistossa ja maastohavainnoissa... 62 5.3.2 Arvio näytteenottomenetelmän vaikutuksesta laskennallisiin pitoisuusreduktioihin... 63 6 Yhteenveto ja johtopäätökset... 67 7 Jatkotutkimustarpeen arviointi... 70 Lähdeluettelo... 72 LIITTEET 1. Yhteenveto tutkimuksessa käytetystä veden laadun seuranta-aineistosta 2. Keskimääräiset vuotuiset pitoisuusreduktiot tutkituilla pintavalutuskentillä ja ojitetuilla vesiensuojelukosteikoilla 3. Pitoisuusreduktioiden riippuvuus pintavalutuskenttien ja ojitettujen vesiensuojelukosteikkojen ominaisuuksista roudattomana kautena (kesäkuu - lokakuu) 4. Ojitettujen vesiensuojelukosteikkojen ominaisuuksien vaikutus indeksiluvulla kuvattuun keskimääräiseen puhdistustehokkuuteen 3

1 Johdanto Turvetuotanto on ympäristöluvan varaista toimintaa ja sen aloittaminen edellyttää toiminnasta aiheutuvien ympäristövaikutusten arviointia. Turvetuotannon vesistövaikutuksista merkittävin on tuotantoalueelta purkautuvien valumavesien aiheuttama kiintoaine- ja ravinnekuormitus alapuoliseen vesistöön. Tuotannon vesistökuormitus arvioidaan ympäristölupahakemukseen laadittavan kuormitusselvityksen yhteydessä. Nykyisen käytännön mukaan turvetuotantoalueelta syntyvä kuormitus arvioidaan perustuen tunnetuilta turvetuotantoalueilta mitattujen kuormitusten keskiarvoon. Kuormitus voi kuitenkin vaihdella huomattavasti tuotantoalueiden välillä ja myös käytettävien vesiensuojeluratkaisujen toiminnassa (puhdistustehokkuudessa) on tapauskohtaisesti suuria eroja. Pintavalutuskenttien ja muun tyyppisten vesiensuojelukosteikkojen käyttö on valumavesien puhdistuksessa merkittävässä asemassa, sillä niiden avulla voidaan valumavedestä poistaa kiintoaineen lisäksi myös liukoisia ravinteita. Turvetuotannon vesistökuormituksen ennakointi ja uudet hallintamenetelmät (TuVeKu) projektin yhtenä osatavoitteena on ollut etsiä syitä pintavalutuskentillä ja vesiensuojelukosteikoilla havaittaviin vaihteleviin puhdistustuloksiin, jotta kuormitusselvitykset voitaisiin laatia nykyistä tarkemmin, paikalliset ympäristötekijät huomioiden. Tämän tavoitteen saavuttamiseksi kesän 2010 aikana on kerätty yhteen laaja aineisto turvetuotantosoiden valumavesien veden laadun seurantatiedoista sekä tuotantoalueiden ja vesiensuojeluratkaisujen erityispiirteistä. Aineiston kokoamisesta on vastannut Vapo Oy. Aineiston prosessointi ja tilastolliset analyysit on toteutettu yhteistyössä Oulun yliopiston Vesi- ja ympäristötekniikan laboratorion ja Suomen ympäristökeskuksen (SYKE) Vesienhoitoyksikön kanssa. Työn tilaajana ja rahoittajana on toiminut Vapo Oy. Tässä TuVeKu -projektin loppuraportissa esitetään saadut tulokset ja havainnot pintavalutuskenttien ja ojitettujen vesiensuojelukosteikkojen puhdistustehokkuuteen vaikuttavista tekijöistä. Tutkimuksessa on lisäksi arvioitu turvetuotantosoiden paikallisten ominaisuuksien vaikutusta tuotantoalueelta syntyvään vesistökuormitukseen. Valumavesien laatua on tutkimuksessa tarkasteltu kiintoaineen, typen, fosforin, raudan ja orgaanisen aineen osalta. TuVeKu-aineistosta puuttuvia tuotantoalueen ja vesiensuojelukosteikkojen ominaisuuksien täydennetään kesällä 2011, jonka lisäksi uutta aineistoa kerätään tuotantoalueen, ojien ja vesiensuojelukosteikkojen maaprofiilien ominaisuuksista. 2 Pintavalutuskenttien ja vesiensuojelukosteikkojen keskeiset puhdistusprosessit sekä teoreettinen tausta kuormituksen ja ainepoistumien arvioinnille 2.1 Kiintoaineen ja ravinteiden huuhtoutuminen turvetuotantoalueilta 2.1.1 Kiintoainekuormitus Turvetuotannon aiheuttama kiintoainekuormitus on seurausta turpeen eroosiosta ja kulkeutumisesta valumaveden mukana vastaanottavaan vesistöön. Myös turvekerroksen alapuolinen mineraalimaa voi erodoitua, jos kuivatus ja/tai kokoojaojat läpäisevät turvekerroksen. Sadepisaroiden ja veden virtauksen aiheuttamaa eroosiota tapahtuu tuotantoalueen pinnasta sekä ojien seinämiltä ja pohjista. Työkoneet kuljettavat turvetta ojiin tuotannon aikana. Osa valunnan mukana kulkeutuvasta kiintoaineesta liettyy ojien pohjille, josta se erodoituu helposti uudelleen valuntahuippujen aikana. Suurin osa turvetuotannon kiintoainehuuhtoutumasta on peräisin ojien pohjille lasketuneen sedimentin eroosiosta (Kløve 1998). Kiintoaine lähtee liikkelle sedimentin pintaan kohdistuvan 4

leikkausjännityksen ylittäessä sedimentille ominaisen kriittisen arvon. Ojissa kiintoaineen liikkeellelähtöä ja kulkeutumista voidaan tarkastella myös kriittisen virtausnopeuden avulla. Tuotantoalueen pintaeroosion määrään vaikuttavat mm. sateen rankkuus ja vesinorojen muodostuminen sekä turpeen ominaisuudet. Kuivuessaan turve voi muuttua hydrofobiseksi, jolloin se kulkeutuu veden mukana helposti eikä laskeudu virtausnopeuden hidastuessa. Pitkälle maatunut turve voi olla herkkä eroosiolle (Svahnbäck 2007). Suspendoituneen kiintoaineen lisäksi turvesuolta kulkeutuu myös humusta, liukoista orgaanista ainetta, jonka osuus huuhtoutuvasta orgaanisesta aineesta voi olla kertaluokkaa suurempi kuin suspendoituneen kiintoaineen osuus (Kløve 1997). Kiintoaineen ja humuksen mukana tuotantoalueelta huuhtoutuu myös typpeä, fosforia ja rautaa. Uomaeroosion riski kasvaa suurilla tuotantoalueilla virtaaman kasvun myötä, mutta myös pienillä valuma-alueilla ojat voivat syöpyä voimakkaasti etenkin kaltevilla ja eroosioherkillä alueilla. Uomaeroosio on usein merkittävintä tuotantoalueen reuna- ja laskuojissa, joissa vesimäärät ovat suurimpia ja ojien pohjat voivat ulottua kivennäismaahan asti. Kiintoaineen eroosio ja huuhtoutuminen lisääntyvät yleensä valunnan kasvaessa ja ylivalumajaksojen merkitys kiintoainekuormitukseen etenkin huuhtoutumisherkillä alueilla on erittäin suuri (esim. Sallantaus 1983). Helposti erodoituvan sedimentin määrä voi toimia ilmiötä rajoittavana tekijänä, jolloin suurimmat ainepitoisuudet ja kuormitukset esiintyvät virtaaman nousuvaiheessa. Lumen sulannan alkuvaiheessa kiintoainepitoisuudet ovat yleensä pieniä, mutta kohoavat sulannan edistyessä. 2.1.2 Ravinnekuormitus ja orgaaninen aines Turvetuotantoon ojitetulta suolta muodostuva fosfori- ja typpikuormitus on yleensä suurempaa kuin vastaava kuormitus luonnontilaiselta suolta. Ravinnekuormitusta aiheuttavat mm. tuotantoalueen ojituksen seurauksena kiihtyvä turpeen hajoaminen ja ravinteiden vapautuminen sekä lisääntynyt valunta maatuneen turvekerroksen läpi (luonnontilassa vesi virtaa pääasiassa elävässä kasvustossa). Kuormitus on suurimmillaan tuotantoon tulevan suon peruskuivatuksen aikana, jolloin luonnontilaisen suon vesivarasto tyhjenee. Fosfori huuhtoutuu turvesuolta joko liukoisessa muodossa, ts. fosfaattifosforina ja liukoisena orgaanisena fosforina, tai kiintoainespartikkeleihin sitoutuneena. Partikkeleihin sitoutunut fosfori voi muuttua takaisin liukoiseen muotoon. Myös typpi huuhtoutuu liukoisessa muodossa, ts. ammonium- ja nitraattityppenä ja liukoisena orgaanisena typpenä, tai kiintoaineeseen sitoutuneena. Typen eri muotojen suhteelliset osuudet voivat vaihdella esim. vuodenajan ja valuntaolojen mukaan. Tämän vaihtelun keskeisiä taustatekijöitä ovat nitrifikaatio- ja denitrifikaatioprosesseihin vaikuttavat veden liikkeet maaperässä ja tuotantoalueen ojastossa, hapellisten ja hapettomien olosuhteiden esiintyminen sekä lämpötila. Valumaveden typpi- ja fosforipitoisuuksiin ja sitä kautta kuormituksen suuruuteen sekä myös alapuoliseen vesistöön huuhtoutuvien ravinteiden esiintymismuotoihin vaikuttavat keskeisesti hydrologiset tekijät. Valumaveden fosforipitoisuuksien on havaittu lisääntyvän pienten valumien aikaan, jolloin vesimäärän aiheuttama pitoisuuksien laimeneminen on vähäisintä. Pienten valumien aikana vesi on ns. vanhaa, pitkään turvekerroksessa ollutta vettä (Sallantaus 1983, Kløve 2001) (kuva 1). Tämä on todennäköisesti yksi keskeisimmistä tekijöistä, joka vaikuttaa siihen, missä muodossa fosforia alapuoliseen vesistöön huuhtoutuu. Pienten valumien aikana fosforin huuhtoutuminen liukoisena orgaanisena fosforina, humukseen sitoutuneena, todennäköisesti lisääntyy. Veden humuspitoisuus on usein suurimmillaan juuri vanhassa, turpeessa pitkään seisoneessa vedessä. Fosforipitoisuuksien on havaittu kasvavan pohjaveden pinnan laskiessa, mikä viittaa myös vanhan veden suurempiin pitoisuuksiin (Kløve 2001). Vastaavasti fosforipitoisuuksien 5

on havaittu laskevan valunnan kasvaessa, valumaveden ollessa lähtöisin turpeen kyllästymättömästä pintakerroksesta ( uusi vesi ) (Kløve 2001) (kuva 1). Fosfaattifosforin pitoisuudet voivat pienetä ojastossa tapahtuvien biologisten prosessien kautta. Valumaveden fosforipitoisuuksia voidaan osaltaan selittää myös lämpötilan tai kiintoaineen määrän avulla. P Q new Q new Q old Q old Kuva 1. Veden kulkeutuminen tuotantoalueelta sarkaojiin. Typpikuormituksen on havaittu olevan suurimmillaan voimakkaiden sateiden jälkeen ( uusi vesi ), veden huuhtoessa nitraattityppeä kyllästymättömästä kerroksesta (Kløve 2001). Nitraattitypen huuhtoutumisessa esiintyy kuitenkin alueellista vaihtelua ja sekä pieniä (Hiljanen 1994) että suuria (Sallantaus 1983) pitoisuuksia on havaittu suurten valuntojen aikana (viitattu Kløve 2001). Typen huuhtoutumiseen vaikuttavat oletettavasti nitraatin epätasainen jakautuminen maaperässä ja erot veden virtausreiteissä. Kasvaneita nitraattityppipitoisuuksia suurten valuntojen aikana voi selittää ammoniumtypen nitrifioituminen nitraattitypeksi suon hapellisessa pintakerroksessa, josta nitraatti edelleen huuhtoutuu kuivan kauden jälkeisten suurten valumien aikana (Kløve 2001). Vastaavasti jos epäorgaanista typpeä on suon pintakerroksessa vähän, valunnan kasvu voi laskea valumaveden typpipitoisuuksia. Vanhassa vedessä (pohjavedessä) nitraattipitoisuudet ovat kesäisin pieniä ja kokonaistypestä noin puolet esiintyy ammoniumtyppenä ja puolet orgaanisena typpenä (Kløve 2001). Pitkään jatkuneiden sateiden jälkeen nitraattitypen pitoisuudet ojavedessä kasvavat veden huuhtoessa nitraattityppeä kyllästymättömästä kerroksesta. Ammoniumtyppipitoisuuksien vaihtelua voidaan selittää osaltaan lämpötilalla, ph:lla sekä biologisilla prosesseilla (nitrifikaatio, ammonifikaatio ja ravinteiden otto). Turvetuotannon valumavedet sisältävät orgaanista kiintoainetta sekä liuenneita orgaanisia aineita, pääasiassa humusta. Humuksen mukana tuotantoalueilta huuhtoutuu rautaa ja raudan välityksellä humukseen sitoutunutta fosforia (Heikkinen ym. 1994). Liuenneen orgaanisen aineen huuhtoumat eivät ole voimakkaasti riippuvaisia valunnasta, vaikkakin alhaisimmat pitoisuudet esiintyvät usein lumen sulannan aikana (Sallantaus 1983). Orgaanisen kiintoaineen huuhtoumat vaihtelevat huomattavasti liuenneen orgaanisen aineen huuhtoutumia enemmän, mutta suurimman osan ajasta kiintoaineen osuus orgaanisen aineen kokonaispitoisuudesta on vähäinen (Sallantaus 1983). Humuksen rautapitoisuus on suurimmillaan pienten valuntojen aikana veden ollessa peräisin 6

Vedenjakorakenne syvemmistä turvekerroksista (Heikkinen ym. 1994, Heikkinen & Ihme 1995). Tämä voi osaltaan selittää korkeita fosforipitoisuuksia ns. vanhassa vedessä. 2.2 Pintavalutuskenttien ja vesiensuojelukosteikkojen rakenne ja mitoitus Kosteikkoja on hyödynnetty pitkään maatalouden-, yhdyskuntien- ja teollisuuden jätevesien puhdistuksessa johtuen kosteikoilla luonnostaan tapahtuvista puhdistusprosesseista ja edullisista rakennus- ja käyttökustannuksista. Puhdistettavan veden laadusta riippuen kosteikkoja on käytetty joko itsenäisenä puhdistusrakenteena tai muita menetelmiä täydentävänä puhdistusprosessina. Turvetuotannon valumavesien puhdistukseen kosteikkoja on Suomessa sovellettu 1980 luvun loppupuolelta lähtien (Ihme ym. 1991). Nykyisin menetelmä on kemiallisen vedenpuhdistuksen ohella saavuttanut BAT-tekniikan aseman turvetuotannon valumavesien puhdistuksessa. Tässä työssä luonnontilaiselle suolle perustetuista vesiensuojeluratkaisuista käytetään nimitystä pintavalutuskenttä (Ihme ym. 1991), ja ojitetuille suoalueille perustetuista rakenteista termiä ojitettu vesiensuojelukosteikko tms. Vakiintunutta termistöä ojitettujen ja ojittamattomien vesiensuojelukosteikkojen välillä ei Suomessa ole ja eri nimityksiä käytetään vaihtelevasti myös maa- ja metsätalouden vesiensuojelun yhteydessä. Termistöä tulisikin edelleen kehittää. Pintavalutuskentät ja ojitetut vesiensuojelukosteikot ovat rakenteita, joissa vesi johdetaan kontrolloidusti ojilla ja penkereillä muusta alueesta eristetyn suon/kosteikon läpi (kuva 2). Vesien johtaminen puhdistusrakenteelle voidaan toteuttaa joko jakoaltaiden, -ojien tai -putkien avulla. Nykykäytännön mukaisesti pintavalutuskenttien ja vesiensuojelukosteikkojen yläpuolelle rakennetaan kiintoaineen kokonaispoistuman tehostamiseksi yksi tai useampia laskeutusaltaita. Laskeutusaltailta vesi johdetaan vedenjakorakenteelle painovoimaisesti tai pumppaamalla. Eristysoja / penger Laskeutusallas/altaat Kokoojaoja Keräilyojat Kuva 2. Periaatekuva pintavalutuskentän tai vesiensuojelukosteikon rakenteesta. Turvetuotannossa tuotantoalueiden ulkopuolisten vesien pääsy pintavalutuskentille ja vesiensuojelukosteikoille estetään eristysojien tai penkereiden avulla (kuva 2). Alueen eristäminen mahdollistaa vesiensuojelukosteikon hallitun suunnittelun, mitoituksen ja puhdistustehokkuuden seurannan. Veden liikkeitä pintavalutuskentillä ja kosteikoilla voidaan kuvata yksinkertaisen vesitasemallin avulla (kuva 3). 7

ET P Q in Q out C in C out Q pv Kuva 3. Veden liikkeet pintavalutuskentällä tai ojitetulla vesiensuojelukosteikolla. Kuvassa Q on virtaama, C on konsentraatio, ET on evapotranspiraatio ja P on sadanta. Alaindekset in ja out viittaavat kosteikolle tuleviin ja kosteikolta lähteviin pitoisuuksiin ja virtaamiin, ja alaindeksi pv viittaa pohjaveteen. Kuvan 3 mukaisesti turvetuotantoalueelta kosteikolle tulee ja kosteikolta lähtee tietty vesimäärä (Q in /Q out ), joka sisältää tietyt pitoisuudet kiintoainetta, ravinteita ja muita ainesosia (C in /C out ). Turvetuotantoalueelta vesiensuojeluratkaisulle johdettava vesimäärä on haihdunnasta (ET) johtuen usein suurempi kuin kentältä lähtevä vesimäärä. Haihdunnan ollessa voimakasta kosteikolle tuleva vesi voi periaatteessa väkevöityä kiintoainetta ja ravinteita kuljettavan veden määrän pienentyessä. Kosteikolle johdettava vesi voi suotautua osittain pohjaveteen (Q pv ), mutta toisaalta myös pohjaveden purkautuminen kosteikolle on mahdollista (vesien laimeneminen). Valumaveden on havaittu virtaavan pintavalutuskentillä pääasiassa turpeen pintakerroksissa 0 50 cm syvyydellä ja useimmiten aivan suon pintakerroksessa (esim. Ronkanen & Kløve 2005). Veden virtausnopeuteen ja virtausreitteihin kosteikolla vaikuttavat mm. kosteikon suhteellinen koko, maaperän topografia, turpeen maatuneisuus (vedenläpäisevyys), pintakasvillisuus ja oikovirtausreittien esiintyminen. Pintavalutuskenttä perustetaan ojittamattomalle suolle, jonka turvekerroksen paksuus on yli 0,5 m (Heikkinen ym. 1994, Ihme ym. 1991, Ihme 1994, Savolainen ym. 1996). Turpeen pinnan maatuneisuusasteen tulee olla H1 H3, mikä onkin useimmiten tilanne ojittamattomalla suolla. Lisäksi kentän pinta-alan tulee olla vähintään 3,8 % yläpuolisen valuma-alueen pinta-alasta. Tässä tutkimuksessa edellä mainitut mitoitustekijät luettiin ryhmään Keskeiset mitoitustekijät (taulukko 1). Lisäksi tähän ryhmään luettiin kentän käyttöaste, joka vaikuttaa selkeästi kentän toimintaan. Turvetuotannon vesiensuojeluohjeistossa (Savolainen ym. 1996) aiempien tutkimusten perusteella (Ihme ym. 1991, Ihme 1994) kentän käyttöasteeksi esitetty arvo 100 % todettiin kuitenkin epärealistiseksi. Se on kuitenkin hyvä tavoite, koska kentän käyttöaste tulee pyrkiä saamaan niin korkeaksi kuin mahdollista. Ryhmään Muut mitoitustekijät luettiin ne tekijät, joiden vaikutuksesta vesiensuojelukosteikkojen toimintaan ei ole vielä selkeää tieteellistä näyttöä. Näitä tekijöitä ovat kentän pituus/leveys-suhde, kaltevuus ja turvelaji sekä valumaveden kontakti mineraalimaan kanssa. Taulukossa 1 esitetyt mitoitustekijät on määritetty pääosin Kompsasuon pohjoisen pintavalutuskentän ominaisuuksien perusteella. Kokemuksia on saatu myös Kompsasuon eteläiseltä pintavalutuskentältä sekä Pudasjärvellä sijaitsevan Murtosuon ja Sotkamossa sijaitsevan Laakasuon pintavalutuskentiltä. 8

Taulukko 1. Pintavalutuskentän tärkeimmät mitoitustekijät (Savolainen ym. 1996). Mitoitustekijöiden luokittelu (keskeiset ja muut mitoitustekijät) on tehty tämän raportin kirjoittajien toimesta. Keskeiset mitoitustekijät Pinta-ala yläpuolisesta valuma-alueesta [%] > 3, 8 Käyttöaste [%] 100 Oikovirtauksia ei Turvepaksuus [m] > 0,5 Turpeen maatuneisuus (von Post) H1 - H3 Laskeutusallas kentän yläpuolella on Muut mitoitustekijät Pituus/leveys 0,5-1 Kentän kaltevuus [%] 1 Turvelaji (pintaosassa) sara - rahka Mineraalimaakontakti* ei * Alkuperäisiä ohjeita laadittaessa havaittiin, että tutkimuskohteissa oli kenttiä, joilla mineraalimaakontakti aiheutti fosforin ja raudan huuhtoutumista kentältä. Asiaa on kuitenkin vielä tutkittava tarkemmin. Tämänhetkisen tiedon mukaan mineraalimaakontaktia on pyrittävä välttämään erityisesti siitä syystä, että se voi aiheuttaa puhdistettavan veden karkaamisen vesiensuojelurakenteesta alapuoliseen mineraalimaahan. Yksi tapa tilanteen hallintaan on perustaa kenttä riittävän paksun turvekerroksen suoalueelle. Pintavalutuskenttien ja ojitettujen vesiensuojelukosteikkojen lopullinen rakenne määräytyy suurelta osin turvetuotantoalueen lähialueilta käytettävissä olevien soiden ominaisuuksien mukaan, eikä taulukossa 1 esitettyjä mitoitusohjeita voida aina täsmällisesti noudattaa. Ojittamattomien suoalueiden käyttö pintavalutuskenttänä on vesiensuojeluratkaisua suunniteltaessa ensisijainen vaihtoehto, mutta sopivien alueiden puuttuessa myös ojitettuja kosteikkoja on käytetty. Ojitetuille vesiensuojelukosteikoille ei ole toistaiseksi olemassa tarkkoja mitoitusohjeita, joten pintavalutuskenttien ohjeita sovelletaan usein myös niiden mitoitukseen. Ojitetuille vesiensuojelukosteikoille alustavia mitoitus- ja suunnitteluohjeita on esittänyt Postila (2007). Joissakin tapauksissa ojitettuja kosteikkoja on mitoitettu varovaisuusperiaatteen nojalla ojittamattomien pintavalutuskenttien ohjeissa esitettyä mitoitusarvoa suuremmiksi. 2.3 Keskeiset puhdistusprosessit vesiensuojelukosteikoilla 2.3.1 Kiintoaine Kiintoainetta voi poistua vesiensuojelukosteikoilla laskeutumalla sekä suotautumalla turpeeseen ja pintakasvillisuuteen. Suotautumisen tehokkuus on luultavasti riippuvainen kentän ominaisuuksista kuten kasvillisuudesta ja turpeen vedenläpäisevyydestä. Kiintoaineen laskeutumisessa keskeisiä tekijöitä ovat virtausnopeuden lasku kosteikolla, veden viipymä sekä suspensiona kulkeutuvan kiintoaineen ominaisuudet. Usein karkein kiintoaines pidättyy jo pintavalutuskenttien ja kosteikkojen yläpuolisiin laskeutusaltaisiin. Jo kerran laskeutuneen kiintoaineen resuspension vaara kasvaa virtausnopeuksien kasvaessa kentillä ylivirtaamien aikana, etenkin jos vesiensuojelurakenne on mitoitettu liian pieneksi. Turvetuotannon valumavesissä suspensiona kulkeutuva kiintoaine voi olla sekä orgaanista että epäorgaanista. Erittäin hienojakoisen kiintoaineen sekä kelluvan orgaanisen 9

aineen pidättäminen pintavalutuskentillä ja vesiensuojelukosteikoilla voi olla vaikeaa. Kiintoaineen pidättymisen ohella poistuu kiintoaineeseen sitoutunutta typpeä, fosforia ja rautaa. 2.3.2 Fosfori Fosforin kierto ja varastoituminen kosteikolla käsittää useita eri prosesseja ja fosforin muotoja. Fosfori voi esiintyä kosteikolla veteen liuenneena sekä liukenemattomassa orgaanisessa ja epäorgaanisessa muodossa. Fosforin poistoon kosteikolla osallistuvat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa vesi, maaperä, kosteikkokasvillisuus ja mikroeliöstö. Fosforin poistumaan johtavat prosessit voivat olla joko kemiallisia, fysikaalisia tai biologisia. Pintavalutuskentillä tärkeä merkitys fosfaattifosforin pidättymisessä on havaittu olevan kemiallisella pidättymisellä turpeeseen (Heikkinen ym. 1994, Heikkinen ym. 1995a). Turpeen kyky pidättää fosfaattifosforia kasvaa, kun sen rauta- ja alumiinipitoisuus lisääntyy. Fosforia pidättyy kentille myös humukseen sitoutuneena (Heikkinen & Ihme 1995). Fysikaalisista prosesseista fosforin poistuman kannalta tärkein on partikkelimaisen fosforin sedimentoituminen (Kadlec & Knight 1996). Fosfori sitoutuu tehokkaasti epäorgaaniseen kiintoaineeseen ja fosforin poistuma voi olla siten sidoksissa kiintoaineen poistumaan kosteikolla. Partikkeleihin sitoutuneet liukenemattomat fosforiyhdisteet voivat poistua pysyvästi sedimentoitumisen kautta. Kiintoaineeseen sitoutuneen fosforin laskeutuminen ja liukoisen fosforin sorptio mahdollistavat fosforin nopean pidättymisen vesiensuojelukosteikoilla. Biologisista prosesseista mikroeliöstön fosforin otto on nopeinta johtuen organismien kasvunopeudesta ja lisääntymisestä. Toisaalta fosfori myös vapautuu niistä takaisin kiertoon huomattavan nopeasti (esim. Richardson & Marshall 1986, viitattu Kadlec & Knight 1996). Kosteikkokasvit käyttävät fosforia kasvuravinteenaan ja fosforin pidättymistä kasveihin tapahtuu etenkin kosteikkokasvillisuuden biomassan lisääntyessä kasvillisuuden kehittymisvaiheessa. Kuitenkin myös suurin osa kasveihin sitoutuvasta fosforista palautuu kiertoon kasvien hajoamisen yhteydessä. Makrofyytteihin ja puihin fosfori sitoutuu hitaasti, mutta ne tarjoavat mikroorganismeja pitempiaikaisen aktiivisen fosforivaraston (Kadlec & Knight 1996). Pintavalutuskentillä kasvillisuudella on osoittautunut olevan vähäinen merkitys ravinteiden pidättymisessä vuositasolla (Heikkinen ym. 1994, Huttunen ym. 1996). Pintavalutuksen seurauksena havaittiin kasveihin sitoutuneen fosforin määrän jopa vähenevän. Kosteikot voivat tietyissä olosuhteissa toimia myös fosforin lähteinä. Näin on etenkin tilanteissa, joissa kosteikot jo ennen vesien johtamista sisältävät suuren ja herkästi liikkuvan fosforivaraston. Fosforia voi saada liikkeelle valumavesien johtamisen jälkeen tapahtuva kosteikossa virtaavan veden fosforipitoisuuden pieneneminen ja myös mahdollisten hapettomien alueiden syntyminen kosteikkoalueelle. Kosteikkoa pitkään käytettäessä myös kosteikkoalueen maaperän fosfaattifosforin varastointipotentiaali voi ylittyä. 2.3.3 Typpi Typpi esiintyy luonnossa sekä orgaanisessa että epäorgaanisessa muodossa. Vesistöjen perustuotannon ja rehevöitymisen kannalta keskeisiä typen muotoja ovat epäorgaaniset ammoniumtyppi NH 4 -N ja nitraattityppi NO 3 -N. Ammoniumtypen ionisoitumaton muoto, ammoniakki NH 3 -N, lisääntyy lämpötilan ja ph:n kasvaessa ja se voi olla jo pieninä pitoisuuksina myrkyllistä vesieliöille. Nitriittityppi NO 2 -N ei ole kemiallisesti stabiili ja sen pitoisuudet luonnonvesissä ovat yleensä pieniä. Typpikaasua N 2 ja typpioksiduulia N 2 O muodostuu kosteikoilla denitrifikaation lopputuotteena. Typen pidättymiseen johtavia prosesseja vesiensuojelukosteikoilla 10

voivat olla nitrifikaatio, denitrifiikaatio, ammonifikaatio, ammoniumtypen pidättyminen turpeeseen sekä typen pidättyminen kasveihin ja eliöihin. Kosteikkokasvit suosivat todennäköisesti ammoniumtyppeä typpiravinteenaan. Runsaasti nitraattia sisältävissä vesissä nitraatilla voi kuitenkin olla ammoniumtyppeä suurempi merkitys kasvien typpiravinteena (Kadlec & Knight 1996). Ammoniumtypen pitoisuus vesiensuojelukosteikoilla vähenee pääasiassa nitrifikaation kautta. Nitrifikaatio on kaksivaiheinen aerobinen mikrobiologinen prosessi, jossa ammoniumtyppi hapettuu nitriitin kautta nitraattitypeksi reaktioyhtälöiden (1) ja (2) mukaisesti (Reddy & Patrick 1984, viitattu Kadlec & Knight 1996): NH (1) 4 1,5 O2 2H H2O NO2 NO (2) 2 0, 5O2 NO3 Nitrifikaation määrä on suoraan verrannolinen nitrifioivien bakteerien kasvuun kosteikolla (Kadlec & Knight 1996). Nitrifioivien bakteerien määrä on puolestaan riippuvaista lämpötilasta siten, että selvästi tietyn optimaalisen kasvulämpötilan (25-35 C) ylä- ja alapuolella bakteerien kasvu heikkenee nopeasti (Reddy & Patrick 1984, viitattu Kadlec & Knight 1996). Myös veteen liuenneen hapen määrä on tärkeä nitrifikaatiota rajoittava tekijä vesiensuojelukosteikoilla (Kadlec & Knight 1996). Kosteikoilla ja pintavalutuskentillä tapahtuu lukuisia yhtäaikaisia prosesseja, joten ammoniumtypen poistuman ennustaminen on vaikeaa ilman kosteikolta kerättävää aineistoa. Nitrifikaation vaikutus voi peittyä kosteikolla samanaikaisesti tapahtuvien rinnakkaisten prosessien alle. Nitrifikaation suuri määrä voi alentaa vesistön alkaliniteettia ja ph-arvoa. Denitrifikaatio on anaerobinen biologinen prosessi, jossa heterotrofiset bakteerit pelkistävät nitraatti- tai nitriittityppeä typpikaasuksi, dityppioksidiksi ja typpimonoksidiksi. Useimmat denitrifikaatioon kykenevät bakteerit kykenevät käyttämään myös happea soluhengitykseen, mutta siirtyvät hapettomissa oloissa denitrifikaatioon. Denitrifikaatiota voidaan kuvata reaktioyhtälöllä (3) olettaen, että reaktion vaatimana hiililähteenä toimii metanoli (CH 3 OH) (Kadlec & Knight 1996): 6NO3 5CH3OH 3N2 5CO2 7H2O 6OH (3) Denitrifikaation määrään vaikuttavat keskeiseti lämpötila, ph, mikrobien käytettävissä oleva hiili sekä maan happiolosuhteet. Laboratoriossa merkittävää denitrifikaatiota on havaittu vielä + 5 C lämpötilassa (Brodrick ym. 1988) ja optimaalinen ph-taso on vaihdellut tavanomaisissa jäteveden puhdistukseen tarkoitetuissa systeemeissä välillä 7-8 (ks. Kadlec & Knight 1996). Empiirisissä tutkimuksisssa on havaittu denitrifikaation vähentyvän merkittävästi ph-arvon ollessa alle 6 tai yli 8 (Kadlec & Knight 1996). Kokonaistypen poistuma vesiensuojelukosteikolla voi vaihdella suuresti ja se riippuu mm. kosteikolle tulevan typen muodosta, kosteikon ominaisuuksista, liuenneen hapen määrästä ja kuormituksen määrästä (Kadlec & Knight 1996). Nitrifikaatio ja denitrifikaatioprosessien tavoin kokonaistypen poistuma on myös lämpötilariippuvaista. Kosteikon sisäisen typen tuotannon ja typen vapautumisen merkitys korostuu vesiensuojelukosteikolle tulevien pitoisuuksien ollessa pieniä ja kokonaistypen reduktiot voivat olla negatiivisia. Kompsasuon pohjoisella pintavalutuskentällä ammoniumtyppeä todettiin pidättyvän jossakin määrin kentän turpeeseen 11

(Heikkinen ym. 1994, Heikkinen ym. 1995b) ja kasvillisuuteen (Heikkinen ym. 1994, Huttunen ym. 1995). Näillä pidättymisprosesseilla ei kuitenkaan voitu selittää suurinta osaa kentällä tapahtuvasta epäorgaanisen typen poistumasta, joten nitrifikaatio-denitrifikaatioprosessi arvioitiin merkittävimmäksi typen poistumia selittäväksi prosessiksi pintavalutuskentillä. 2.4 Laskentamallit aineiden poistumalle pintavalutuskentillä ja vesiensuojelukosteikoilla 2.4.1 Teoria Vesiensuojelukosteikon keskimääräisen puhdistustehokkuuden kuvaamiseen pitkällä aikavälillä voidaan käyttää ns. ensimmäisen kertaluvun mallia. Mallilla voidaan kuvata kosteikolle tulevan ja kosteikolta lähtevän pitoisuuden suhdetta ottamalla huomioon kosteikolle tuleva ainepitoisuus ja veden viipymä kosteikolla. Ensimmäisen kertaluvun malli aineiden poistumalle on esitetty yhtälössä (4): C kt out Cine (4) missä C in on kentälle tuleva ainepitoisuus [mg/l] C out on kentältä lähtevä ainepitoisuus [mg/l] k on reaktiovakio [1/d] t on veden viipymä kosteikolla [d] Ensimmäisen kertaluvun mallissa oletetaan, että sekoittumista ei tapahdu virtauksen suunnassa (ideal plug flow), jolloin veden viipymä kosteikolla voidaan laskea yhtälöstä (5): t Ay Q V Q (5) missä A on kosteikon veden peittämän osan pinta-ala [m 2 ] y on virtaussyvyys kosteikolla [m] on virtauskerroksen huokoisuus V on veden tilavuus kosteikolla [m 3 ] Q on virtaama [m 3 /d] Yhtälössä (4) veden viipymän tilalla voidaan käyttää myös kenttään kohdistuvaa hydraulista kuormaa q hydr [m/d] (q hydr = Q/A), joka on kääntäen verrannollinen veden nimellisviipymään tietyllä vesisyvyydellä. Ensimmäisen kertaluvun mallissa sekä viipymä että hydraulinen kuorma ilmentävät veden kontaktiaikaa kosteikolla. Reaktiovakion k voidaan ajatella kuvaavaan paikallisten olosuhteiden (esim. lämpötila, geokemia, ph) ja kosteikon rakenteellisten tekijöiden vaikutusta ja osuutta puhdistusprosessista. Hydraulista kuormitusta käytettäessä malli on pinta-alaperusteinen ja viipymää käytettäessä tilavuusperusteinen. Pinta-alaperusteinen ensimmäisen kertaluvun malli aineiden poistumalle on esitetty yhtälössä (6): 12

C out in k qhydr in A k Q C e C e (6) missä k on reaktiovakio [m/d] Ensimmäisen kertaluvun mallia voidaan tarkentaa lisäämällä malliin tarkasteltavan aineen taustapitoisuutta kuvaava tekijä C* [mg/l], jolloin tulevan ja lähtevän pitoisuuden välille voidaan kirjoittaa yhtälö (7). Taustapitoisuus toimii mallissa lähinnä sovitusparametrina ja se ei välttämättä vastaa todellista luonnossa havaittavaa taustapitoisuutta. C out kt C C * e C * in (7) Ensimmäisen kertaluvun mallissa epävarmuutta aiheuttavat etenkin reaktiovakion k määrittäminen ja veden viipymä kentällä. Vesiensuojelukosteikoilla esimerkiksi maaperäominaisuudet ja topografia voivat vaikuttaa huomattavasti veden virtausreitteihin ja viipymään, jolloin oletus tulppavirtauksesta on epävarma. Reaktiovakio k ja näennäinen taustapitoisuus C* eivät puolestaan ole ajan- ja paikan suhteen vakioita ja ne ovat voimakkaasti riippuvaisia kosteikkoon kohdistuvasta hydraulisesta kuormituksesta ja tulevasta ainepitoisuudesta (Kadlec 2000). Yksinkertaisuudestaan ja ongelmakohdistaan huolimatta ensimmäisen kertaluvun mallin on havaittu usein kuvaavan hyvin etenkin typen ja fosforin poistumia vesiensuojelukosteikoilla (Kadlec & Knight 1996). Ensimmäisen kertaluvun mallin lisäksi yksittäisten vedenlaatuparametrien poistumia kosteikoilla on onnistuneesti kuvattu useiden erityyppisten regressiomallien avulla. Regressiomalleilla kuvataan tyypillisesti kosteikolta lähtevää ainepitoisuutta/kuormitusta kosteikolle tulevan pitoisuuden/kuormituksen ja havaintoaineistoon sovitettujen vakiokertoimien avulla. Kosteikolle tulevien pitoisuuksien lisäksi myös hydraulista kuormaa on usein käytetty lähtevää pitoisuutta selittävänä tekijänä. Ensimmäisen kertaluvun poistumamallin rektiovakion k arvoja sekä erityyppisiä regressiomalleja ja niiden sovitusparametrien arvoja kosteikkopuhdistusrakenteille on esitetty esimerkiksi julkaisuissa Kadlec & Knight (1996) ja Rousseau et al. (2004). Mallien soveltuvuutta ja sopivia vakioiden arvoja on turvetuotannon kuormitusta vastaavissa olosuhteissa ja turvemaahan perustetuilla vesiensuojelukosteikoilla tutkittu vähän. 2.4.2 Ensimmäisen kertaluvun mallin havainnollistaminen Ensimmäisen kertaluvun malli on yleisesti hyväksytty ja paljon käytetty tapa kuvata aineiden poistumia vesiensuojelukosteikoilla. Mallin oletusten mukaista aineiden poistumaa on havainnollistettu kuvissa 4 ja 5. Yhtälön (4) mukaisesti veden viipymän ja reaktiovakion k ollessa vakioita, kosteikolta lähtevä pitoisuus on suoraan verrannollinen kosteikolle tulevaan pitoisuuteen (kuva 4a). Veden viipymä ja käytetty reaktiovakion k arvo määrittävät tässä tapauksessa tarkasteltavan aineen poistuman (suoran kulmakerroin). Kentälle tulevalla pitoisuudella on mallin mukaan vaikutusta pitoisuusreduktioihin ainoastaan yhtälön (7) mukaisessa tilanteessa, jossa myös taustapitoisuus huomioidaan (kuva 4b). 13

a) b) Kuva 4. Ensimmäisen kertaluvun mallin mukainen a) kosteikolta lähtevän ainepitoisuuden riippuvuus kosteikolle tulevasta ainepitoisuudesta ja b) pitoisuusreduktion riippuvuus kosteikolle tulevasta pitoisuudesta. Reaktiovakion k arvo mallikuvissa on 0,3 1/d ja kuvassa b taustapitoisuus C* on 20 μg/l. Kuvan 4b mukaisesti kosteikolle tuleva ainepitoisuus vaikuttaa laskennalliseen pitoisuusreduktioon tulevan pitoisuuden ollessa lähellä taustapitoisuutta. Oletuksena mallissa on, että taustapitoisuutta vastaavaa ainepitoisuutta ei kosteikkopuhdistuksella voida poistaa, toisin sanoen puhdistumista tapahtuu vain taustapitoisuuden ylittävälle osalle. Pitoisuuden vaikutus puhdistustehokkuuteen heikkenee oleellisesti tulevien pitoisuuksien ollessa suuria (C in >> C*). Veden virtaaman ja viipymän vaikutusta vesiensuojelukosteikolla saavutettavaan puhdistustehokkuuteen on havainnollistettu kuvassa 5. a) b) Kuva 5. Ensimmäisen kertaluvun mallin mukainen a) pitoisuusreduktion riippuvuus veden viipymästä kosteikolla ja b) pitoisuusreduktion riippuvuus virtaamasta. Virtaama vaikuttaa pitoisuusreduktioon välillisesti viipymän tai hydraulisen kuormituksen kautta. Ensimmäisen kertaluvun mallin mukaisesti ainepoistumat kosteikolla paranevat veden viipymän kasvaessa (kuva 5a). Kuvasta 5a havaitaan myös, että reaktiovakion k ollessa suuri saman pitoisuusreduktion saavuttamiseksi vaadittava veden viipymä kosteikolla laskee. Jos siis kosteikon muut ominaisuudet ovat suotuisat esimerkiksi kiintoaineen ja ravinteiden poistumalle, hyvään 14

puhdistustulokseen vaadittava viipymä pienenee. Kuvan 5b esimerkissä pitoisuusreduktio on esitetty virtaaman suhteen. Teorian mukaisesti kosteikolla saavutettavat puhdistustulokset ovat heikompia suurten virtaamien/valuntojen aikana, mikä on seurausta veden viipymän pienentymisestä (yhtälöt 4 ja 5) tai vastaavasti hydraulisen kuormituksen kasvusta (yhtälö 6). Ensimmäisen kertaluvun poistumamallin mukaisesti (kuvat 4 ja 5) vesiensuojelukosteikon puhdistustehokkuus on herkkä virtaamalle sekä lähellä taustapitoisuutta myös kosteikolle tulevalle ainepitoisuudelle. Tämän perusteella kiintoaine- ja ravinnepoistumien vertailu kosteikkojen välillä on epävarmaa tilanteissa, joissa soiden hydrologia ja ainepitoisuudet vaihtelevat merkittävästi. 3 Aineisto 3.1 Tutkimuskohteet Tutkimuksessa oli mukana 22 turvetuotantoaluetta eri puolilta Suomea (kuva 6). Näistä kymmenessä vesiensuojeluratkaisu oli tyypiltään pintavalutuskenttä ja kymmenessä ojitettu vesiensuojelukosteikko. Satamakeitaan ja Jämiänkeitaan osalta tutkimus rajoittui tuotantoalueelta lähtevän kuormituksen analysointiin, eikä vesiensuojeluratkaisujen toimivuutta arvioitu erikseen. Kuva 6. Tutkimuskohteiden sijainti. Tutkimuksessa mukana olleiden turvesoiden perusominaisuuksia on koottu taulukkoon 2. Suon pinta-alana on esitetty virtaaman ja valumaveden laadun seurantapisteen (mittapato) yläpuolisen valuma-alueen pinta-ala. Varsinainen tuotantopinta-ala voi poiketa esitetystä pinta-alasta kohteesta ja tarkasteluvuodesta riippuen. 15

Taulukko 2. Tutkimuksessa mukana olleiden turvetuotantoalueiden perusominaisuuksia ja veden laadun seuranta-ajat. Saraturpe en osuus [%] Suo Seuranta-aika n A valuma [ha] Tuotanno n aloitus Tuotettava tuote** Tuotantomene telmä** Hankilanneva* 11.11.2008-14.10.2009 14 232 1994 jyrsin, pala haku, vaunu 60 40 Hietalahdenaapa 18.5.2004-4.8.2008 21 68 1987 jyrsin vaunu Hormaneva* 15.4.2008-26.5.2010 48 380,3 1979 jyrsin+pala+ympäristö haku,vaunu 46 54 Isoneva 5.5.2003-13.10.2005 46 127 1999 jyrsin, ympäristö vaunu Jämiänkeidas 21.6.2006-4.5.2010 65 411 1980 energia+ympäristö haku, vaunu Karhunsuo 4.6.2000-15.10.2009 83 248,3 1998 energia haku 24,9 74,9 Kiihansuo 8.5.2001-30.9.2009 62 73,4 2002 jyrsin vaunu, haku Konnunsuo 15.5.2007-17.11.2009 34 250 1982 jyrsin haku Kuivastensuo 2.6.2003-21.10.2009 95 82,2 1986 jyrsin, pala vaunu Laukkuvuoma 17.5.2004-19.9.2005 20 94,2 1991 jyrsin, pala, ympäristö ei tietoa 63 36 Linnansuo 22.4.2003-21.10.2009 119 70 1978 jyrsin, ympäristö haku, vaunu Muljunaapa 18.5.2004-20.9.2004 10 151,7 jyrsin haku, vaunu 70 26 Nanhiansuo* 14.3.2006-25.5.2010 91 86 2004 ympäristö haku Okssuo 15.1.2002-11.8.2008 67 80 2001 jyrsin, ympäristö vaunu Puutiosuo 10.11.2003-26.10.2004 18 99 1991 jyrsin, pala haku 47 52 Rajasuo 12.5.1998-21.10.2008 81 350,1 1981 jyrsin vaunu Ristineva 16.4.2007-30.11.2009 48 240 1979 jyrsin haku Röyhynsuo 10.9.2008-4.5.2010 28 160 2001 jyrsin, ympäristö haku, vaunu Sarvanneva* 20.1.2003-28.7.2008 43 61 1982 jyrsin haku Satamakeidas 20.1.2003-21.6.2010 151 510 1976 jyrsin, pala, ympäristö haku, vaunu, pikapala Savonneva* 16.5.2001-8.6.2004 63 110 1977 jyrsin vaunu Siiviläniemenaapa 30.5.2005-8.10.2006 20 145,1 1978 jyrsin haku, vaunu * Ympärivuotiset seurantakohteet ** Tuotettava tuote ja tuotantomenetelmät ovat voineet vaihdella seurantajaksojen sisällä Rahkaturp een osuus [%] Tutkimuskohteissa käytettyjen vesiensuojelurakenteiden (pintavalutuskenttä tai vesiensuojelukosteikko) mitoitustekijät on esitetty taulukossa 3. Taulukkoon 4 on listattu muutamia keskeisiä vesiensuojelukosteikkojen rakenteellisia ominaisuuksia. Taulukko 3. Pintavalutuskenttien ja ojitettujen vesiensuojelukosteikkojen mitoitusarvot. H (von Post) Suo A pvk/a valuma [%] Ojitus Ojien tukkiminen Pituus/ leveys Kaltevuus [%] Turvepaksuus [m] Vallitseva kasvilaji Hankilanneva 3,62 X 0,7 0,07 2,2 5 sara 1 Hietalahdenaapa 7,21 X 3,6 0,35 1,5 heinä 5 Hormaneva 4,21 X X 2,8 8 rahka, varpu 4 Isoneva 7,87 X X 0,5 0,3 2,7 varpu, rahka 5 Karhunsuo 2,78 X X 0,9 0,35 2,5 4 sara 8 Kiihansuo 3,81 X? 1,4 0,8 3,7 7 suursara 3 Konnunsuo 9,84 X (1/4)? 1,0 4 sara 9 Kuivastensuo 3,41 1,2 0,55 3 6 sara 4 Laukkuvuoma 1,17 3,0 0,8 ei tietoa 1 Linnansuo 9,00 1,4 0,5 1 sara 2 Muljunaapa 2,97 1,1 0,6 3 heinä 4 Nanhiansuo 3,84 2,1 0,38 2,8 sara, varpu 4 Okssuo 3,75 X X 3,2 0,14 7 sara 7 Puutiosuo 6,26 1,7 0,35 2,1 sara, rahka 2 Rajasuo 6,43 X (1/2) X 3,6 4 rahka, sara 10 Ristineva 3,75 4,0 0,15 1 rahka Röyhynsuo 4,84 X X 0,3 heinä 7 Sarvanneva 1,64 3,3 3,5 3 heinä 1 Savonneva 2,73 5,1 0,3 5 rahka, suursara 3 Siiviläniemenaapa 3,03 1,2 0,08 1,6 1 sara 5 Laskeutus altaiden lkm. 16

Taulukko 4. Tutkimuksessa mukana olleiden pintavalutuskenttien ja ojitettujen vesiensuojelukosteikkojen rakenteellisia ominaisuuksia. Suo Perustamistapa Vesien johtaminen Vedenjakorakenne A pvk [ha] Valutuspituus [m] Mättäisyys [%] Hankilanneva suo pumppu oja 8,40 240 40 Hietalahdenaapa pelto pumppu allas + oja 4,9 420 70 Hormaneva suo pumppu putki 16 670 70 Isoneva puustoinen suo pumppu oja 10 155 80 Karhunsuo suo pumppu putki 6,9 215 40 Kiihansuo puustoinen suo pumppu allas, putket 2,8 200 50 Konnunsuo suo pumppu oja, kammat 24,6 505 50 Kuivastensuo suo pumppu oja, kammat 2,8 180 30 Laukkuvuoma suo gravitaatio oja 1,1 180 Linnansuo suo pumppu putki, jakoputket 6,3 300 80 Muljunaapa puustoinen suo pumppu oja 4,5 220 70 Nanhiansuo puustoinen suo pumppu putki 3,3 265 70 Okssuo tuotantoalue pumppu allas 3 310 Puutiosuo suo grav./pump. oja 6,2 450 55 Rajasuo suo pumppu oja, putket 22,5 894 70 Ristineva suo pumppu putki + oja 9 600 40 Röyhynsuo puustoinen suo pumppu putki 7,75 150 Sarvanneva suo pumppu allas 1 182 70 Savonneva suo pumppu oja 3 390 Siiviläniemenaapa suo pumppu oja 4,4 225 40 3.2 Vedenlaadun ja kuormituksen seuranta Kohdesoilla virtaamaa oli mitattu V-mittapadon ja veden pinnankorkeusanturin avulla jatkuvatoimisesti 0,5 h välein, joko kesäkaudella tai ympärivuotisesti. Poikkeuksena virtaaman mittauksessa oli Röyhynsuon turvetuotantoalue, jossa virtaamaa oli mitattu ainoastaan hetkellisesti näytteenoton yhteydessä. Virtaaman mittauspiste oli kaikilla kohteilla vesiensuojelukosteikon alapuolisessa kokoojaojassa. Kosteikon yläpuolista virtaamaa ei oltu erikseen mitattu. Muutamilla soilla virtaamamittauksen teknisistä ongelmista johtuvia katkoja virtaama-aikasarjoissa oli kuormitustarkkailua varten täydennetty toisilta turvetuotantoalueilta mitatuilla virtaamilla. Vesinäytteiden näytteenottotiheys ja seuranta-aika vaihtelivat aineistossa suokohtaisesti. Pääosin vesinäytteitä oli kerätty tuotantokaudella vähintään kerran kahdessa viikossa. Ympärivuotisen seurannan piirissä olivat Nanhiansuo, Hormaneva, Hankilanneva, Savonneva ja Sarvanneva. Kuormitustarkkailun yhteydessä vesinäytteet oli otettu kosteikkojen yläpuolelta laskeutusaltaiden jälkeisistä jako-ojista tai pumppualtaista, ja kosteikkojen alapuolelta mittapadolta. Vesinäytteet oli analysoitu laboratorioissa käyttäen standardoituja menetelmiä. Vesinäytteistä määritetyt vedenlaatumuuttujat vaihtelivat turvetuotantoalueittain, kuitenkin siten, että kaikissa kohteissa vähintään kiintoaine (standardi SFS-EN 872:2005), kokonaisfosfori (persulfaattihapetus, spektrofotometrinen ammoniummolybdaattimenetelmä), kokonaistyppi (persulfaattihapetus, nitraatin määritys spektrofotometrisesti) ja kemiallinen hapenkulutus COD Mn (SFS 3036:1981) oli määritetty kaikilla näytteenottokerroilla (tiedot analyysimenetelmistä, laboratoriokemisti Tiina Ylipahkala, Nab Labs Oy, 19.1.2011). Lisämäärittelyinä oli kohteesta riippuen analysoitu ammoniumtyppi- (spektrofotometrinen salisylaattimenetelmä), nitraattityppi- (hydratsiinipelkistys, spektrofotometrinen sulfaniilimenetelmä) fosfaattifosfori- (spektrofotometrinen salisylaattimenetelmä), rauta- ja alumiinipitoisuuksia sekä veden ph:ta, sähkönjohtavuutta ja veden lämpötilaa. Täydentävien vedenlaatumuuttujien määrä ja analyysitiheys (ei välttämättä analysoitu kaikilla näytteenottokerroilla) vaihtelivat tuotantoalueittain. 17

3.3 Kenttähavainnot ja käytetyt tietokannat Turvetuotantoalueiden ja vesiensuojelurakenteiden ominaisuuksia tutkittiin kesän 2010 maastokartoituksissa, minkä lisäksi aineistoa koottiin yhteen olemassaolevista Vapo Oy:n ja Geologian tutkimuskeskuksen (GTK) aineistoista ja tietokannoista. Tietoa koottiin mm. Vamppi karttaohjemasta (Vapo Oy), Genimab karttaohjelmasta, LupHa tietokannasta (Vapo Oy), GTK:n turvetutkimusraporteista ja -Geokemian Atlaksesta, kohteiden ympäristöluvista, tuotantosuunnitelmista ja voimalaitosten polttoturpeesta tehdyistä määrityksistä. Kenttätutkimuksissa arvioitiin ja mitattiin mm. tuotantoalueen ojitussyvyyttä ja ojien eroosiota, laskeutusaltaiden määrää sekä vesiensuojelurakenteiden vedenjakorakenteita, kasvillisuutta, mättäisyyttä, puuston määrää ja laatua, oikovirtauksia, ojien tukkimista, turvepaksuutta, turpeen maatuneisuutta, penkereiden rakennetta jne. (ks. taulukot 5 ja 6). Mineraalimaanäytteiden raekokojakaumat ja turpeen kemialliset ominaisuudet analysoitiin muutamilta kohteilta otetuista näytteistä ENAS Oy:n laboratoriossa. Turvetuotantoalueiden kerroksittaiset maatuneisuusasteet poimittiin GTK:n ennen tuotannon aloittamista tekemistä turvetutkimusraporteista, joten tulokset eivät välttämättä vastanneet seuranta-ajan maatuneisuusasteita eri kerroksissa. 4 Menetelmät 4.1 Pitoisuusreduktioiden laskenta Pintavalutuskenttien ja ojitettujen vesiensuojelukosteikkojen puhdistustehokkuutta kuvattiin kuormitustarkkailussa määritettyjen vedenlaatuparametrien pitoisuusreduktioiden avulla. Yleisesti puhdistustehokkuutta voidaan kuvata joko ainepitoisuuksien vähenemisenä (pitoisuusreduktio) tai kuormituksen vähenemisenä (kuormitusreduktio). Yksittäistä näytteenottokertaa vastaava pitoisuusreduktio lasketaan kaavaalla (8): Cin Cout red. 100% (8) C in missä red. on pitoisuusreduktio [%] C in on kosteikolle tulevan valumaveden pitoisuus [mg/l] C out on kosteikolta lähtevän valumaveden pitoisuus [mg/l] Yksittäisen näytteenottokerran kuormitusreduktio lasketaan vastaavasti kaavalla (9): CinQin CoutQout Re d 100% (9) C Q in in missä Q in on kosteikolle tuleva virtaama [m 3 /d] Q out on kosteikolta lähtevä virtaama [m 3 /d] Kuormitustarkkailun yhteydessä veden virtaama oli aineistossa mitattu ainoastaan kosteikkojen alapuolelta, joten kuormitusreduktioita ei voitu tässä tapauksessa käyttää yksittäisten näytteenottokertojen poistumien kuvaamiseen. Kentälle tulevan kuormituksen (L in ) laskenta kentältä poistuvan virtaaman (Q out ) perusteella johtaa virtaaman supistumiseen pois yhtälöstä (9), 18

jolloin kuormitusreduktio vastaa yhtälösssä (8) esitettyä pitoisuusreduktiota. Pintavalutuskentälle tai vesiensuojelukosteikolle tuleva virtaama on yleensä suurempi kuin kentältä lähtevä virtaama, joten kuormitusreduktio antaisi pitoisuusreduktiota positiivisemman kuvan kentän puhdistustehokkuudesta. Yksittäistä näytteenottokertaa pidemmillä tarkastelujaksoilla keskimääräiset pitoisuusreduktiot laskettiin tarkastelujaksona kosteikolle tulevien pitoisuuksien keskiarvon ja lähtevien pitoisuuksien keskiarvon perusteella kaavalla (10): red. n Ci, in Ci, out i 1 i 1 n n n *100% (10) C i 1 n n i, in Pitoisuusreduktioiden laskennassa huomioitiin ainoastaan ne näytteenottopäivät, jolloin pitoisuudet oli määritetty samanaikaisesti sekä kosteikon ylä- että alapuolelta. Tutkimuksessa oli mukana useita kohteita, joilla lähtevää kuormitusta oli seurattu useampana vuotena kuin kosteikolle tulevaa kuormitusta. 4.2 Pintavalutuskenttien ja ojitettujen vesiensuojelukosteikkojen puhdistustehokkuuden kuvaaminen indeksiluvun avulla Tutkimuskohteilta määritettyjen keskimääräisten pitoisuusreduktioiden keskinäinen vertailu on lähtökohtaisesti epävarmaa, sillä näytteenottohetkillä kosteikkoihin kohdistuvat hydrauliset kuormat ja veden viipymät vaihtelevat soiden välillä. Etenkin seuranta-ajaltaan lyhyissä kuormitustarkkailuissa näytteenoton aikaiset valuntaolosuhteet voivat vaikuttaa laskettuihin pitoisuusreduktioihin huomattavasti. Tutkittujen kosteikkojen keskinäisen vertailukelpoisuuden parantamiseksi tutkimuksessa käytettiin puhdistustehokkuuden kuvaamiseen laskennallista indeksilukua I, jossa otettiin huomioon kohdesoiden väliset erot puhdistusrakenteelle tulevassa virtaamassa ja ainepitoisuuksissa. Indeksiluku laskettiin seuranta-aineistosta määritettyjen todellisten keskimääräisten pitoisuusreduktioiden (kaava 10) ja ensimmäisen kertaluvun poistumamallin (yhtälö 4) mukaisten teoreettisten pitoisuusreduktioiden suhteena kaavalla (11): Määritetty _ pitoisuusreduktio I (11) Teoreettinen _ pitoisuusreduktio Teoreettinen keskimäääräinen pitoisuusreduktio laskettiin kaavalla (10) sijoittamalla pintavalutuskentältä lähteviksi pitoisuuksiksi yhtälöstä (4) ratkaistut ensimmäisen kertaluvun mallin mukaiset ainepitoisuudet. Reaktiovakion k-arvona käytettiin kaikille kohteille seuranta-aineistosta määritettyjen k-arvojen keskiarvoa. Määritettyjä pitoisuusreduktioita (seuranta-aineisto) parhaiten kuvaava k-arvo laskettiin kullekkin vesiensuojelukosteikolle sieventämällä yhtälö (4) muotoon (12): ln Cin ln Cout k (12) t 19

Indeksiluku I kuvaa mitattua pintavalutuskentän tai ojitetun vesiensuojelukosteikon toimintaa suhteessa teorian mukaiseen puhdistustehokkuuteen. Indeksiluvun arvon ollessa yli 1, tarkasteltava vesiensuojelukosteikko toimii paremmin kuin veden viipymä kosteikolla teorian mukaan antaa olettaa. Vastaavasti indeksiluvun arvon ollessa alle 1, vallitsevissa olosuhteissa kosteikko toimii teorian esittämää puhdistustehokkuutta heikommin. Indeksiluvun käyttö vesiensuojelukosteikon toiminnan/hyvyyden kuvaamiseen johtaa siihen, että sama pitoisuusreduktio pienten virtaamien (suuri viipymä) aikana mitattuna tuottaa heikomman indeksiluvun kuin suurilla virtaamilla (pieni viipymä). Keskimääräisen pitoisuusreduktion perusteella heikosti toimiva vesiensuojelukosteikko voi toimia indeksiluvun mukaan erittäin hyvin, mikäli pienet pitoisuusreduktiot on mitattu suurten virtaamien aikana. 4.3 Tilastollinen analyysi Turvetuotannon vesistökuormituksen syntyyn ja vesiensuojelukosteikkojen toimintaan vaikuttavia tekijöitä tutkittiin pääasiassa korrelaatio ja regressioanalyysin avulla. Muuttujien välisiä korrelaatiota tarkasteltiin ensisijaisesti Pearsonin korrelaatiokertoimen avulla. Aineisto ei monissa tapauksissa sen vähäisyydestä tai mittausasteikosta johtuen ollut normaalijakautunutta, joten riippuvuudet laskettiin myös Spearmanin järjestyskorrelaatioiden avulla. Kaikki tässä raportissa esitetyt korrelaatiot ovat kuitenkin aineiston jakaumasta riippumatta esitetty Pearsonin korrelaatiokertoimina. Tilastollisesti merkitsevien ja lähes merkitsevien riippuvuuksien osalta on tulosten tueksi esitetty hajontakuviot, joiden avulla arvioitiin outlier-pisteiden ja ääriarvojen vaikutusta saatuihin tuloksiin. Yhden selittävän muuttujan regressiomallien lisäksi aineistosta etsittiin selittäviä tekijöitä usean muuttujan regressiomallien avulla. Kahden riippumattoman otoksen jakaumien vertailuun käytettiin tutkimuksessa ei-parametrista Mann-Whitney U-testiä. Tilastollisessa analyysissa tarkastellut turvetuotantoalueen ominaisuudet on esitetty taulukossa 5 ja tarkastellut pintavalutuskenttien ja ojitettujen vesiensuojelukosteikkojen ominaisuudet taulukossa 6. Raportissa on esitetty tulokset keskeisten selittävien tekijöiden osalta. Raportin ulkopuolelle on jätetty niitä taulukoissa 5 ja 6 esitettyjä turvetuotantoalueiden kuormitusta ja vesiensuojelukosteikkojen puhdistustehokkuutta selittäviä tekijöitä, jotka eivät olleet tilastollisesti ja teoreettisesti merkitseviä. Taulukko 5. Tilastollisessa analyysissa tarkastellut turvetuotantoalueelta syntyvää kuormitusta selittävät tekijät. Perustekijät Maaperän ominaisuudet Maantieteelliset Geologiset Muut Virtaama Turvepaksuus* Etäisyys rannikosta Geokemiallinen maalajiprovinssi Tuotannon aloitusvuosi Valunta Turpeen maatuneisuus* Korkeus mpy. Litorina-alue Tuotettava tuote* Lämpötila Fe/Al turpeessa [mg/kg]* P-koordinaatti Mustaliuskealue Tuotantomenetelmä* ph Kivennäismaan d50 - raekoko I-koordinaatti Pohjavesialueen läheisyys Tuotantoalueen pinta-ala* Kivennäismaan hienoainespitoisuus Ojitussyvyys* *Ominaisuustieto aineistossa epävarma, koska ominaisuus voi vaihdella seurantavuosittain tai tieto ei välttämättä vastaa seuranta-aikaa. 20