Fysikaalis-kemiallisten vedenlaatuparametrien muutosten ja keskinäisten yhteyksien tarkastelu pelto- ja metsäalueen välillä Keravanjoen vesistöalueella in situ- automaattista mittausteknologiaa hyödyntäen Juho Iipponen Tikkurilan lukio Maantiede Ohjaaja: Mika Meller 25. marraskuuta 2012
Tiivistelmä Jo pitkään yksi merkittävimmistä luotettavaa vesistöntutkimusta haitanneista tekijöistä on ollut näytteenottotiheyden pienuus. Usein ongelman ratkaisuksi on esitetty näytteenoton ohella toimivaa automaattista mittausjärjestelmää, joka kuitenkin voi lohkaista tutkimusbudjetista erittäin suuren siivun ja silti mitata vain paria parametria. Tässä työssä kehitin halvan, mutta laadukkaan pitkäaikaiseen vesistöntutkimukseen soveltuvan automaattisen mittausaseman ja hyödynsin sitä Keravanjoen vesistöalueen tutkimiseen. Työssäni vertailin toisiinsa fysikaalis-kemiallisen vedenlaadun muutosta jokiveden kulkiessa pelto- tai metsäalueen läpi käyttäen kahta automaattista mittausasemaa yhtäaikaisesti ja vertailemalla näiden tuloksia keskenään. Ennen vain yhtä mittausasemaa käyttäneissä tutkimuksissa vedenlaadun muutosten lähde on jäänyt pitkälti arvailujen varaan, mutta kahden robotin keskinäisiä tietoja vertailemalla saadaan myös paremmin tietää lähteen sijainti. Tarkoituksena oli myös määrittää parametrien välisiä korrelaatioita, joita on Keravanjoen vesistössä viimeksi selvitetty yli 20 vuotta sitten. Pelto- ja metsäalueen vedenlaaduissa havaittiin selviä muutoksia, jotka oli mahdollista kytkeä jokea ympäröivän kasvillisuuden tyyppiin. Korrelaatioissa havaittiin selviä eroja sekä kahden tutkimusalueen välillä että niitä aiemmin tarkastelleeseen tutkimukseen. Havaituista eroista huolimatta tutkimusaineistoa voi olla vaikea yleistää usealle eri kasvustotyypille ja aiheen parissa halvalla mittausteknologialla toteutettavalle jatkotutkimukselle jäi vielä paljon selvitettävää.
Sisältö 1 Johdanto 1 2 Teoriaa 2 3 Tutkimuksen toteutus ja automaattinen mittausteknologia 5 3.1 Mittausalueet 5 3.2 Automaattisen seurannan hyödyt 6 3.3 Automaattisten mittausasemien tekniikka 7 4 Tulokset 9 4.1 Peltoalueen mittaukset 9 4.1.1 Mediaanimuutokset ja parametrien keskinäiset korrelaatiot 9 4.1.2 Sademäärän vaikutus parametreihin 10 4.2 Metsäalueen mittaukset 11 4.2.1 Mediaanimuutokset ja parametrien keskinäiset korrelaatiot 11 4.2.2 Sadetapahtuman vaikutus parametreihin metsäalueella 12 5 Tulosten tarkastelu 13 5.1 Korrelaatiossa ja mediaaneissa havaitut muutokset, sekä kytkökset sademäärään 13 5.3 Tulosten luotettavuus 16 5.4 Jatkotutkimusmahdollisuudet 16 6 Mittausaseman kehitystyö 18 7 Kiitokset 19 Lähteet 20 Liitteet LIITE 1 Mittausaseman kytkentäkaavio LIITE 2 Mittausjärjestelyn kaaviokuva, ei mittakaavassa LIITE 3 Paranneltu sameussensori LIITE 4 Automaattinen mittausasema käytössä LIITE 5 Keskusyksikkö LIITE 6 Osaluettelo
1 1 Johdanto Automaattista vedenlaadun tarkkailua on usein menestyksekkäästi hyödynnetty näytteenotonoton rinnalla antamaan kokonaisvaltaisempaa kuvaa vedenlaadun muutoksista myös näytteenottojen väliltä. Tähän tarkoitukseen suunnitellut ammattilaistason laitteet kuitenkin maksavat halvimmillaan useita tuhansia euroja, mikä on voinut rajoittaa niiden hankintaa etenkin köyhimmillä alueilla tehtävissä tutkimuksissa. Tästä syystä laitteita onkin myös aiemmin yritetty valmistaa harrastelijapohjalta [1], mutta tällöin niiden takana on ollut useampihenkinen harrastelijaryhmä, jonka mittalaite on lopuksi mitannut vain muutamaa parametria. Vasta viime vuosina mikrokontrolleriteknologian kehityksen myötä on tullut mahdolliseksi rakentaa kunnollisia harrastelijamittalaitteita, joita voidaan käyttää luotettavaan vedenlaadun seurantaan. Tässä työssä käytin itse tekemääni mittausasemaa pelto- ja metsäalueen vedenlaadun vertailuun ja pyrin hahmottamaan, miten vedenlaatu muuttuu joen kulkiessa näiden alueiden läpi. Helsingin seudun vesiensuojeluyhdistys on jonkin verran toteuttanut automaattista mittausteknologiaa hyödyntäviä tutkimuksia Vantaanjoen vesistöalueella, mutta kahden erilailla hajakuormittavan alueen vedenlaatua ei ole automaattisin mittausteknologioin aiemmin tutkittu. Vuonna 1991 toteutetussa tutkimuksessa tutkittiin vedenlaatuparametrien yhteyttä toisiinsa Keravanjoessa [2], mutta sen jälkeen joen kuormitus voi olla muuttunut ja nyt yhteyksiä on hyvä tutkia uudelleen; tällä kertaa useammalla mittauspisteellä. Tätä tutkimusta varten rakentamani halpojen mittausasemien kaltaiset laitteet mahdollistavat joen tutkimisen myös useammalla alueella samanaikaisesti, mikä antaisi paremman kuvan vedenlaatumuutosten spatiaalisista eroista.
2 2 Teoriaa Etelä-Suomen joissa ja niiden valuma-alueiden kattamalla vesistöalueella elää runsaasti eliöitä, jotka elävät joko pelkästään joessa tai sen välittömässä läheisyydessä. Joki on mielenkiintoinen ekosysteemi, sillä joissakin sen osissa vesi virtaa hyvin hitaasti ja toisissa hyvin nopeasti, jolloin eri kasvit ja eläimet voivat sopeutua erilaisille elinalueille. Järvistä poiketen joet ovat usein kapeita, matalampia ja niillä on paljon enemmän rantaviivaa maa-alueita vasten, mikä tarkoittaa sitä, että jokiekosysteemeissä kohtaavat niin maa- kuin vesiekosysteemit. Tällainen ekolokeroiden moninaisuus takaa alueelle runsaan lajirikkauden. Näillä lajeilla on monia eroavaisuuksia keskenään, mutta niitä kaikkia yhdistää se, että ne ovat joko täysin tai osittain riippuvaisia näissä joissa virtaavista vesimassoista. Eliöiden elämään vaikuttaa runsaasti se, millaisia ominaisuuksia jokivedellä on. Joen virtausten mukana kulkeutuu joen koko valuma-alueelta runsaasti ravinteita ja partikkeleita, joista raskaimmat sedimentoituvat jo virtauksen alkumatkalle. Osa kevyemmistä partikkeleista kulkeutuu virran mukana alajuoksulle asti ja sedimentoituu vasta alajuoksun suvannoissa sitoen joen pohjaan ravinteita. Sitoutuneet ravinteet vapautuvat aikanaan takaisin veteen ja suurina määrinä ne voivat olla osatekijöitä suvantoalueiden rehevöitymiselle ja veden laadun heikentymiselle. Ravinteet ja niiden muutokset jokivedessä antavat selviä merkkejä jokiveden laadusta ja mahdollisesta rehevöitymisestä. Jokiveden kuntoa voidaan lisäksi arvioida monilla muilla keinoilla esimerkiksi mittaamalla veteen liuenneen hapen määrää tai veden sähkönjohtavuutta. Tavalliset suomalaiset sisävesikalat selviävät vesistöissä, joiden happipitoisuus on 6-8 mg/l. Liuenneen hapen määrään vaikuttaa suuresti sekä lämpötila että vedessä esiintyvien orgaanisten aineiden määrä. Lämpötila vaikuttaa siihen, kuinka paljon happea veteen voi liueta. Orgaaniset aineet voivat hajota kemiallisesti kuluttaen happea vedestä. Toisaalta kesän runsas perustuotanto voi paikoin nostaa happipitoisuuden jopa yli kylläisyyspisteen. [3, 4] Muita jokivedestä mitattavia ominaisuuksia ovat muun muassa ph-arvo, sähkönjohtavuus, sameus ja virtausnopeus. Vesieliöt ovat Etelä-Suomessa sopeutuneet elämään jokiekosysteemeissä, joiden veden ph-arvo vaihtelee 7,6:n ja 6,6:n välillä. Tällaisissa vesistöissä vallitsevat suotuisat kasvuolosuhteet myös monille vesikasveille. Sähkönjohtavuus ei itsessään liiemmin vaikuta vesieliöiden elämään tai veden laatuun, mutta sen arvo kuvaa viitteellisesti, kuinka paljon veteen on liuennut ravinteita tai
3 kiintoainesta, joissa olevat ionit johtavat sähköä. Kasvavan sameuden vaikutukset ilmenevät veden näkösyvyyden muutoksena, mutta samalla ne ilmentävät sähkönjohtavuuden tavoin partikkeleiden määrää ja varsinkin suurten näkyvyyttä heikentävien aineosasten olemassaoloa. Sameuden kanssa eniten korreloiva parametri on virtausnopeus [3]. Virtausnopeus riippuu joenuomassa olevasta hetkellisestä veden määrästä sekä uoman muodosta. Suurin virtausnopeus saavutetaan syvässä rajusti laskevassa koskessa, jossa virtausnopeus voi olla jopa satoja kertoja suurempi kuin matalassa, leveässä ja tasaisella maalla sijaitsevassa suvannossa. Veden määrä joessa sen sijaan riippuu lähes täysin sääolosuhteista ja varsinkin sateista tai sulamisvesistä. [5] Säätila vaikuttaa merkittävästi jokeen pintavalunnan mukana kulkeutuvien ravinteiden ja aineksen määrään muuttamalla uomassa virtaavan veden volyymia. Kun sää on sateinen, on pintamaa sadealueella kauttaaltaan märkä ja vesi pyrkii painovoiman vaikutuksesta virtaamaan matalimmalle alueelle synnyttäen virtoja, jotka laskevat lopulta yhdestä suuresta pääuomasta suurempaan vesistöön, kuten mereen. Lämpötilan kohotessa veden haihdunta on suurempaa ja mitä enemmän vettä haihtuu ilmakehään sen valuessa jokiin, sitä vähemmän sitä lopulta jokeen päätyy. Haihtumisen seurauksena virtaavien vesien suhteellinen ravinnepitoisuus kasvaa, sillä veden haihtuessa ravinteet eivät haihdu sen mukana. Sen sijaan alueen kasvillisuus, jonka alueella pintavalunta tapahtuu, vaikuttaa sekä valuvan veden että siinä olevien ravinteiden määrään, sillä kasvien kuluttaessa valuvaa pintavettä ne imevät juurillaan vettä sekä siihen liuenneet ravinteet. Jokia ympäröivä kasvillisuus vaikuttaa siis suuresti siihen miltä vedenlaatuparametrien arvot näyttävät. Joen rantavyöhykkeen kasvillisuuden rakenne joko edistää tai vähentää jokeen valuvien ravinteiden määrää pintavaluntavesissä. Jos joki sijaitsee keskellä tiheää metsävyöhykettä, on ilmiselvää että ympäröivä kasvillisuus imee itseensä suuria määriä ravinnepitoista vettä, mutta runsaasti vettä kulkeutuu ojiin ja puroihin, joista vesi edelleen valuu jokeen. Metsissä kasvit kuolevat ja maatuvat hajottajien hajottaessa kuollutta eloperäistä ainesta. Hajoamisprosessissa vapautuu runsaasti happamia ammoniumioneja + NH 4 ja pienempiä määriä emäksisiä maaperässä esiintyviä fosfaatti-ioneja Orgaanisen aineksen hajoamisesta muodostuu Suomen metsille tyypillistä hapanta maannoksen 3- PO 4. pintaosaa humusta. Humusta kulkeutuu jokiveteen pintavalunnan mukana sitä happamoittaen. Kaikki joet eivät kuitenkaan virtaa metsien keskellä vaan niihin kulkeutuu vettä monien muidenkin ekosysteemien läpi. [6, 7]
4 Etelä-Suomessa jokien varsille on aikoinaan kynnetty runsaasti peltoja ja niitä on yhä edelleen monen joen varrella. Pelto poikkeaa hyvin suuresti metsästä jokea reunustavana vyöhykkeenä. Pelloilla kasvavat tavalliset viljelykasvit päästävät runsaasti enemmän pintavaluntavesiä jokeen kuin metsien tiheään kasvanut pohjakerros. Tämä osaltaan aiheuttaa jokiveden muuttumisen emäksisemmäksi, koska useiden peltojen viljelyssä käytetään sadon parantamiseen kalkitsemista ja maatalouslannoitteita. Lannoitteet sisältävät usein runsaasti emäksisiä fosfaatti-ioneja ja ammoniakkia, jotka vapautuvat liikalannoituksen seurauksena luontoon ja voivat vesistöissä olla kaloilla ja muille vesieliöille hyvinkin vaarallisia. Varsinkin ammoniakki voi olla kaloille jopa tappavaa, jos ph-arvo ylittää 7,0. Valumaveden emäksisyyttä lisää pelloilla kasvavien kasvien vähäinen maatuminen kasvukaudella. Nämä niiton jälkeiset vähäiset varret sisältävät niin vähän orgaanista ainesta, ettei niiden hajoamisesta synny metsille tyypillistä humuskerrosta pysyvästi happamoittamaan maaperää. Lisäksi peltojen maata muokataan syksyisin ja keväisin, jolloin vähäinenkin hapan pintamaannos painuu syvemmälle maahan, mikä taas estää valumavesiä kuljettamasta happamia aineita vesivirtoihin. Tämä siis edelleen lisää jokiveden emäksisyyttä peltoalueiden lähellä. Nykyisin vesistöjä pyritään suojelemaan ja estämään sen liiallinen happamoituminen tai emäksöityminen. [8] Monien vesistöjen varsilla olevien peltojen vesistöä vasten oleville reunoille on jätetty muutaman metrin levyinen luonnonmukainen kasvualue suojavyöhykkeeksi, jonka tarkoitus on vähentää pintavalunnan mukana tuomien lannoitteiden päätymistä vesistöihin. Suojavyöhykkeiden suositusleveys on vähintään 15 metriä, mutta suurimmassa osassa tutkittua peltoaluetta se on huomattavasti tätä kapeampi. Mitä leveämpi vyöhyke on, sitä paremmin siinä kasvavat kasvit sitovat itseensä vesistöön virtaavia pintavesiä ravinteineen. [9] Jokiekosysteemissä on kaikkien muiden ekosysteemien tavoin jonkin verran olosuhteiden vaihtelua niin vuorokauden- kuin vuodenaikojenkin tasolla. Merkittävimpiä muuttujia eri vuodenaikoina lienee auringon säteilyn seurauksena lämpötila ja sademäärä. Vuorokausitasolla suurin säännöllinen muuttuja lienee lämpötila, joka on koko vuoden ajan keskimäärin alhaisempi yöllä kuin päivällä. Joen laatuun ja siitä mitattavien parametrien arvoihin vaikuttavat siis hyvin monet tekijät. Kaiken kaikkiaan vesistöissä voidaan sanoa kaiken mitattavan vaikuttavan johonkin toiseen mitattavaan parametriin. Monilla parametreilla on jokin korrelaatio toisiin parametreihin verrattuna. Näiden korrelaatioiden suuruudet kuvaavat hyvin sitä, kuinka paljon esimerkiksi lämpötila ja liuenneen hapen määrä ovat toisistaan riippuvaisia ja toisiinsa verrannollisia. Tätä voidaan tutkia pienesti paikallisella tasolla muutaman kohteen sisällä tai suurella mittausdatalla voidaan todeta korrelaatiot laajasti koko vesistön alueelta.
5 3 Tutkimuksen toteutus ja automaattinen mittausteknologia 3.1 Mittausalueet N 0km 200km http://www.teuva.fi/koulut/kkaa/oppiapu.html (Luettu 25.11.) Kuva 1. Rasteilla on esitetty mittausasemien sijainti suuri- ja pienimittakaavaisissa kartoissa.
6 Tutkimus toteutettiin Keravanjoen vesistössä Hiekkaharjun peltoalueella ja yläjuoksun Natura-alueella Keravanjokikanjonissa marraskuussa 2012 (Kuva 1). Toinen automaattisista mittausasemista sijoitettiin tutkimusalueen ylä- ja toinen alajuoksulle siten, että maankäyttö ja kasvillisuus olisivat samanlaisien mittausasemien välillä. Kummallakin alueella matka mittausasemalta mittausasemalle oli 2900±100m mitattuna jokea pitkin. Tarkasteltavaksi peltoalueeksi valittiin Hiekkaharjun laaja-alaiset pellot, joissa muu maankäyttö on hyvin vähäistä. Jokeen valuva vesi on tällöin peräisin pääasiassa pelloilta, eikä muista lähteistä, kuten asutuksesta. Nämä vedet myös hypoteesin mukaan päätyvät helposti jokiveteen, sillä peltoja reunustavat suojavyöhykkeet ovat kapeita ja koostuvat pelkistä heinäkasveista; vettä ja ravinteita juurillaan tehokkaasti imeviä pensas- ja puulajeja ei ole alueella lainkaan. Alueen muta- ja savipohjaisilla pelloilla viljellään erikoisempia lajikkeita, mansikkaa ja hernettä, mutta myös tavallisia viljalajikkeita, joita lannoitetaan normaalein menetelmin ja lannoitemäärin. Mittausalueen alajuoksulla lähellä toista mittausasemaa laskee jokeen pelloilta tuleva laskuoja, jonka toivotaan kuljettavan ravinteita jokeen laajemmalta alueelta ja näin paremmin kuvastavan pellon kokonaiskuormitusmäärää. Ravinnerikkaan Hiekkaharjun peltoalueen vastapainoksi tutkimukseen valittiin Keravanjokikanjonin boreaalisen lehdon alue, jossa kasvillisuus on luonnontilaista ja vesi kirkkaampaa kuin alajuoksulla. Joki meanderoi koko alueella voimakkaasti ja joen pohjan raekoko muuttuu alajuoksulle mentäessä pohjoisen yläjuoksun hiekasta etelän hiesuun ja hiekkaan. Alueen hydrodynamiikka on kasvillisuuden ohella luonnontilassa ja ympäröivien alueiden vedet virtaavat jokeen puroja pitkin tasaisesti koko Natura-alueen halki. [10] 3.2 Automaattisen seurannan hyödyt Mittaukset päätettiin toteuttaa in situ- periaatteella, jossa vettä havainnoidaan reaaliaikaisesti automaattisten mittausasemien sensoreilla paikan päällä. Menetelmään päädyttiin, sillä Keravanjokea on tutkittu automaattisin mittausteknologioin hyvin vähän [2, 3]. Sen sijaan jokialueen mittaukset ovat perustuneet laboratoriossa havainnoituihin manuaalinäytteisiin, joiden näytteenottotiheys on voinut olla vain joitakin kertoja vuodessa. Helsingin seudun vesiensuojeluyhdistys on toteuttanut Keravanjoen vesientarkkailua ottamalla
7 näytteitä seitsemältä havaintopaikalta koko joen matkalta. Tämä pitkäjänteinen mittaustyö ja näytteiden tarkka analysointi laboratoriossa on tuottanut paljon hyödyllistä dataa, mutta tutkimusmenetelmä on altis useille virhelähteille. Se ei muun muassa ota huomioon joen vedenlaadun hetkellisiä muutoksia, jotka voivat vaikuttaa yksittäisiin mittaustuloksiin. Tällöin yksittäiset keskimääräisestä poikkeavat pitoisuudet voivat vaikuttaa virheellisesti pidemmän ajan pitoisuuksien keskiarvoihin. [11] 3.3 Automaattisten mittausasemien tekniikka Kahden reaaliaikaisesti vedenlaatua mittaavan automaattisen mittausaseman hyödyntäminen mahdollisti pelto- ja metsäalueen vaikutusten tarkan arvioinnin. Mittausasemien avulla pelto- ja metsäalueen vaikutusta vedenlaatuun tutkittiin viiden yleisesti käytetyn yksinkertaisen vedenlaatuparametrin avulla, jonka lisäksi sademäärätiedot luettiin ilmatieteenlaitoksen Tikkurilan sääaseman sademäärätiedoista. Molemmista roboteista löytyivät sähkönjohtavuuden, ph:n, liuenneen hapen ja lämpötilan mittarit, joiden lisäksi vain alavirralta mitattiin sameutta itse rakentamallani mittarilla. (LIITE 1) Liuenneen hapen, ph:n ja sähkönjohtavuuden mittarit olivat Atlas Scientific- yrityksen valmistamia sulautettujen järjestelmien yhteyteen liitettäväksi suunniteltuja tieteellisen tarkkuuden mittareita. Näiden lisäksi tilattiin halvat, mutta tarkat lämpömittarit ja rakennettiin itse veden suhteellista sameutta mittaava laite (kuva 2). Mittareiden keräämät tiedot luettiin 30 minuutin välein itseohjelmoidun Arduino UNO R3- mikrokontrollerin muistiin ja lähetettiin sulautettuihin järjestelmiin suunnitellun GPRS- laitteen avulla langattoman puhelinverkkoyhteyden yli internetiin Cosm.com- sivuston (entinen Pachube) palvelimelle säilöön. Palvelimelta data ladattiin tutkimuksen loputtua tietokoneelle analysointia varten. Automaattiset mittausasemat suunniteltiin kahden tulvaveden alle hukkuneen robotin jälkeen veden pinnalla kelluviksi. Mittareiden piirit, mikrokontrolleri ja virtajärjestelmä ovat vesieristetyssä laatikossa polyuretaanista valmistetun kellukkeen päällä ja mittarien anturipäät on asennettu kellukkeen alaosaan asennettuun telineeseen, joka mahdollisti anturipäiden pysymisen vakiosyvyydellä vedenpinnasta. Laatikkoon sijoitettu virtajärjestelmä koostui 14 Ah:n ja 12 V:n akusta, joka oli latauskontrollerilla yhteydessä 12 V:n ja 20 W:n aurinkopaneeliin, joka latasi akkua aurinkoisena syyspäivänä jopa yli 200 ma:n (kesäisin jopa 700 ma:n) latausvirralla. Aurinkopaneeli mahdollistaa pelkkää akkukäyttöä
8 huomattavasti pidemmän toiminta-ajan; mittausasemien ollessa kesä- ja heinäkuun koekäytössä akkua ei täytynyt ladata kertaakaan koko lähes kahden kuukauden koekäytön aikana. Tämä ylittää selvästi muun muassa ammattilaiskäyttöön suunniteltujen YSI-parametrisondien noin kuukauden akkukeston [12]. Paneeli tosin tekee naamioinnista vaikeampaa ja voi altistaa mittausaseman ilkivallalle. (LIITE 2) Kuva 2. Sameussensorin kaavakuva Virtajärjestelmän ja ohjelmoinnin ohella mittausasemaan tehtiin itse suhteellista sameutta mittaava laite (kuva 2, tarkkuus ~1 lx). Sensorissa oli 29 cm etäisyydellä 650 nm:n punaista valoa (virallisesti aallonpituuden kuuluisi olla 850 nm [13], (LIITE 3)) 450lm:n valaistusvoimakkuudella tuottava LEDvalolähde ja kokonaisvalaistusvoimakkuutta (yksikkö luksi, lx) mittaava Atlas Scientificin tuottama valo- ja värianturi. Koko laitteisto oli suojattu valolta maalaamalla sitä suojannut laatikko mattamustaksi. Vesi pääsee virtaamaan vapaasti valoeristettyä putkistoa pitkin laatikkoon ja siellä valolähteen ja -anturin väliseen tilaan sekä sieltä pois. Tämä vesi absorboi valoa suoraan verrannollisesti veden sameuteen; veden ollessa sameaa valoanturin havaitsema valaistusvoimakkuus on pieni ja päinvastoin. Tällöin laite kuitenkin tuottaa tietoa vain suhteellisista sameuden muutoksista eikä sitä ollut mahdollista sitoa virallisiin sameusarvoihin (FTU) kalibraatioliuosten kalleuden vuoksi. Mittausasemien mittaussarjat eivät ole aikasynkronoituja keskenään, mutta niiden mittaussarjat ovat samanlaiset. Mittareiden on sopeuduttava ympäristöönsä ja niiden yksittäisten arvojen varianssia on pyrittävä eliminoimaan laskemalla peräkkäin tapahtuvien mittausten keskiarvo ph:ta, sähkönjohtavuutta ja sameutta mittaavien mittarien tapauksissa. Sähkönjohtavuuden anturin (tarkkuus ~7 μs/cm) on annettava sopeutua ympäristöönsä 30 sekunnin ajan [14] jonka jälkeen otetaan viisi
9 lämpötilakorjattua sähkönjohtavuusarvoa, joiden keskiarvo tallennetaan mikrokontrollerin muistiin sähkönjohtavuuden arvona. Happamuutta mittaava ph-anturi joutuu sopeutumaan ympäristöönsä peräti kahden minuutin ajan [15], jonka ajan kuluttua ph- anturin arvoissa esiintyy enää hyvin vähän varianssia (luokkaa 0,02 [ph], joka on myös keskinäinen tarkkuus). Tämä lämpötilakorjattu arvo luetaan ja tallennetaan taas mikrokontrollerin muistiin. Edellisten tavoin valaistusvoimakkuuden mittarin annetaan kymmenen sekunnin ajan totuttautua muuttuneeseen kirkkauteen ja sitten lasketaan viiden mittauksen keskiarvo, joka tallennetaan muistiin. Näistä mittareista poiketen liuenneen hapen konsentraation (tarkkuus ~ 0.01-0.02 mg/l) ja lämpötilan (tarkkuus ~ 0.15 C) mittarit antavat arvonsa suoraan; ne ovat sähköisesti passiivisia komponentteja ja reagoivat veden muutokseen riippumatta siitä, onko mittaustapahtuma käynnissä vai ei, vaikkakin hapen konsentraatiossa joudutaankin ottamaan huomioon sekä sähkönjohtavuus että lämpötila. Lopuksi kaikki muistiin tallennetut arvot ladataan internetiin ja mittausasema siirtyy noin kahdeksikymmeneksi viideksi minuutiksi lepotilaan odottamaan seuraavan mittaussarjan alkua. (LIITE 4) 4 Tulokset 4.1 Peltoalueen mittaukset 4.1.1 Mediaanimuutokset ja parametrien keskinäiset korrelaatiot Taulukko 1. Parametrien koko aineistosta lasketut mediaanit mittauspisteen mukaan peltoalueella Lämpötila [ C] Sähkönjohtavuus [μs/cm] c(o2) [mg/l] ph Sameus [lx] Ylävirran mediaani 2.94 350 9.34 6.75 Alavirran mediaani 3.19 358 9.495 6.78 37.2 Tutkimuksessa havaittiin joitakin merkittäviä eroja vedenlaatuparametrien muutoksissa, kun vesi kulki pelto- tai metsäalueen läpi. Sähkönjohtavuus, liuenneen hapen pitoisuus, sekä lämpötila osoittautuivat parhaiksi parametreiksi ilmaisemaan arvojen alueellisia muutoksia, sillä ne olivat erittäin tarkkoja sekä epäalttiita virheille. Sen sijaan sameus- ja ph- mittarit vaativat huolellista sijoittelua ja etenkin phanturien kalibrointi yhteismitallisiksi vaati kovaa ponnistelua. Sameusmittari piti asettaa virran suuntaisesti, mutta kuitenkin pohjan yläpuolelle, jotta pohjan sedimentit eivät pääsisi häiritsemään mittaustuloksia. Näistä vaikeuksista huolimatta säännöllisiä eroja havaittiin peltoalueella; kaikkien parametrien arvot olivat kohonneet yli mittarien virhemarginaalien. Tulosten merkityksellisyys hahmottuu kuitenkin vasta niitä vertailtaessa metsäalueen vastaaviin muutoksiin, mistä syystä niitä
c(o2) [mg/l] käsitellään tarkemmin kappaleessa 4.2.1. Työn toisena tarkoituksena oli havainnoida parametrien yhteyttä toisiinsa, jotta vedenlaadun muutosten aiheuttajien selvittäminen olisi helpompaa. Erityisen voimakkaita korrelaatioita havaittiin sähkönjohtavuuden ja liuenneen happipitoisuuden sekä sähkönjohtavuuden (tai lämpötilan) ja sameuden välillä (taulukko 2). Taulukkoa varten lasketut parametrien väliset korrelaatiot ovat sähkönjohtavuuden ja happipitoisuuden välistä yhteyttä lukuun ottamatta alavirran mittausaseman tutkimusparametrien välisiä yhteyksiä. Yhteyksissä ei löytynyt muita merkittäviä eroja ala- ja ylävirran mittausasemien väliltä. Taulukko 2. Parametrien väliset korrelaatiot Sähkönjohtavuus c(o2) Lämpötila ph 0.798 x x x c(o2) -0.443-0.531 x x Lämpötila 0.499 0.34-0.373 x ph 0.687 0.32-0.63 0.523 Sameus 10 10 9.8 R² = 0.6287431927 9.6 9.4 9.2 9 8.8 8.6 200 250 300 350 400 450 Sähkönjohtavuus [μs/cm] Kuva 4. Liuenneen hapen pitoisuuden ja sähkönjohtavuuden regressiosuora ylävirran asemalla 4.1.2 Sademäärän vaikutus parametreihin Taulukko 1 antaa tiedon koko mittaussarjan mediaaneista, mutta siinä eivät tule esiin yksittäiset pitoisuusvaihtelut, joita muun muassa 15.11.2012 sade aiheutti. Koska useista tarkistuksista huolimatta
11 on mahdollista, että mittarit eivät olleet täysin yhteismitallisiksi kalibroituja, täytyi sateen jälkeisten arvojen tarkastelussa ottaa huomioon sitä edeltäneet arvot (viiden tunnin keskiarvo), joita vasten muutos on selvästi havaittavissa. Taulukko 3. Parametrien tarkastelu ennen ja jälkeen sadetapahtuman. Keskiarvon laskentapiste ja -ajankohta Lämpötila [ C] Sähkönjohtavuus [μs/cm] c(o2) [mg/l] ph Sameus [lx] ylävirta, 5h ennen sateen alkua 3.11 327 9.127 6.69 - ylävirta, 5-15h sateen alkamisen jälkeen 3.80 360 11.407 6.73 - alavirta, 5h ennen sateen alkua 3.21 328 9.763 6.73 39.5 alavirta, 6-16h sateen alkamisen jälkeen 4.22 383 12.968 6.84 36.2 sateen jälkeen tapahtunut muutos 0.32 22 0.925 0.07-3.3 Sade alkoi aamuviideltä yöllä ja oli voimakkaimmillaan viiden ja aamukahdeksan välisenä aikana, jolloin Tikkurilan sääasemalla mitattiin kaikkiaan noin 4,7 mm sadetta [18]. Alavirran mittausaseman arvot nousivat muutaman ensimmäisen tunnin aikana heikosti, mutta kunnolla muutokset alkoivat näkyä neljästä kuuteen tunnin kuluttua sateen loppumisesta. Kuten taulukosta näkyy, ovat muutokset mittareiden virherajojen ulkopuolella ja ovat tilastollisesti merkittäviä, sillä ne ovat huomattavasti suurempia kuin keskiarvon laskennassa hyödynnetyn aineiston keskihajonta. Selvin muutos on havaittavissa sähkönjohtavuuden ja liuenneen happipitoisuuden arvoissa, jotka muuttuivat eniten mittareiden virherajoihin ja sadetta edeltäneen aineiston keskihajontaan nähden. Lisäksi vedessä voidaan havaita lievä muutos emäksiseen suuntaan, joka tapahtuu puolen tunnin (yhden mittausintervallin) sisällä lämpötilan merkitsevästä noususta ja sameuden laskusta. 4.2 Metsäalueen mittaukset 4.2.1 Mediaanimuutokset ja parametrien keskinäiset korrelaatiot Taulukko 4. Metsäalueen mittausasemien mediaanit Lämpötila [ C] Sähkönjohtavuus [μs/cm] c(o2) [mg/l] ph Sameus [lx] Ylävirran mediaani 3.69 291 11.096 6.58 Alavirran mediaani 4.19 244 11.267 6.57 43.2 Metsäalueen vesistössä vallitsivat tutkimusaikana hyvin tasaiset, peltoaluetta happamammat, happirikkaammat ja sähkönjohtokyvyltään matalammat olosuhteet. Parametrien metsäalueen mediaanit ovat samansuuntaisia kuin peltoalueen, mutta joitakin eroavaisuuksia löytyy. Mittausten mukaan
12 sähkönjohtavuuden alavirralla mitatut arvot ovat keskimäärin matalampia, kuin ylävirralla mitatut. Lämpötilan kasvu peltoalueeseen verrattuna on suurempaa mittausasemalta toiselle, millä voi olla tekemistä mittauspisteiden erilaisen topografian kanssa: ylävirran mittausasema oli joen kovertamassa syvässä kanjonissa, jossa lämpötilat ovat mahdollisesti matalampia, kuin alavalla alueella, jossa alavirran mittaukset tehtiin. Kuten peltoalueella, ei myöskään ph-arvon muutos ole suurta ja mahtuukin mittarien virhemarginaalien sisään. Taulukko 5. Parametrien korrelaatiot metsäalueella (alavirran asemalla) Sähkönjohtavuus c(o2) Lämpötila ph -0.369 x x x c(o2) -0.475-0.332 x x Lämpötila -0.487-0.388-0.233 x ph 0.61-0.152-0.339-0.552 Sameus Peltoalueella havaittu voimakas korrelaatio sähkönjohtavuuden ja happipitoisuuden välillä on kadonnut kummankin mittausaseman tiedoista lasketuista korrelaatioista ja on muuttunut negatiiviseksi. Tähän syynä saattaa olla luonnonsuojelualueelta mahdollisesti veteen tihkunut pohjavesi, jonka sähkönjohtokyky on alhainen, mutta happipitoisuus korkea [19]. Seuraava suuri muutos havaitaan ph:n käyttäytymisessä, kun sameus ja sähkönjohtavuus kasvavat; se käyttäytyy päinvastoin kuin peltoalueella, eli joessa olevan aineksen määrä saa ph-arvon laskemaan. Lisäksi lämpötilan ja happipitoisuuden, sekä sameuden ja lämpötilan välillä vallitseva negatiivinen korrelaatio on heikompaa kuin jokiveden kulkiessa pellon läpi. 4.2.2 Sadetapahtuman vaikutus parametreihin metsäalueella Keskiarvon laskentapiste ja -ajankohta Lämpötila [ C] Sähkönjohtavuus [μs/cm] c(o2) [mg/l] ph Sameus [lx] ylävirta, 5h ennen mittausta 3.84 250 11.142 6.48 - ylävirta, 5-15h sateen alkamisen jälkeen 3.59 308 11.384 6.61 - alavirta, 5h ennen mittausta 4.50 198 10.886 6.69 44.8 alavirta, 6-16h sateen alkamisen jälkeen 3.56 338 11.336 6.76 39.8 sateen jälkeen tapahtunut muutos pisteeltä toiselle -0.69 82 0.208-0.06-5 Taulukko 6. Metsäalueen parametrit ennen ja jälkeen sadetapahtuman Sunnuntain 18.11.2012 sadetapahtuman tarkkoja sademääriä on vaikeaa löytää, sillä tutkimusalueen lähellä ei ole sademääriä mittaavaa sääasemaa. Sade kuitenkin alkoi iltaseitsemän aikaan ja jatkui useita tunteja. Sadetta saatiin arviolta muutaman millimetrin verran, mutta se aiheutti selviä muutoksia
13 vedenlaatuparametrien arvoihin ja selviä eroja peltoalueen arvoihin havaittiin. Toisin kuin peltoalueella, metsäalueen läpi kulkevan veden lämpötila alkoi laskea lähes välittömästi (alle tunnin kuluessa sateen alkamisesta) ja sen mukana laski myös ph tunnin sisällä lämpötilan laskusta. Sähkönjohtavuuden arvot nousivat peltoaluetta enemmän alle neljän tunnin sisällä sateen alusta, mutta siltikään happipitoisuus ei muuttunut merkittävissä määrin. Nämä jopa pari vuorokautta vedenlaatuun vaikuttaneet muutokset voidaan selittää pintavesien kulkeutumisella, sekä virtaamaan verrannollisen joen kulutusvaikutuksen voimistumisella, mikä nähdään peltoaluetta enemmän muuttuneesta sameuden arvosta. 5 Tulosten tarkastelu 5.1 Korrelaatiossa ja mediaaneissa havaitut muutokset, sekä kytkökset sademäärään Metsäalueen mediaaneissa tapahtuvat muutokset ovat pääasiallisesti samansuuntaisia kuin peltoalueella lukuun ottamatta sähkönjohtavuudessa tapahtuvaa muutosta. Alueella tapahtunut sähkönjohtavuuden aleneminen voi olla kytköksissä sähköä johtavien ionien saostumiseen ja liittymiseen muihin ioneihin, mutta myös alueelta useita luonnontilaisia puroja pitkin virtaavilla valuntavesillä ja mahdollisella pohjavedellä voi olla vaikutusta asiaan. Tutkitulla peltoalueella ei tietojen mukaan ole pohjaveden purkauskohtia ja pohjan sedimentit pääsevät tasaisesti kasvattamaan sähkönjohtavuutta yhdessä mahdollisten pintavaluntojen kanssa. Sähkönjohtavuutta nostavien yhdisteiden happo- ja emäsluonne ovat erilaisia kahdella tutkitulla alueella, mikä näkyy ph-mittarien antamista tuloksista. Veden pharvossa voidaan metsäalueella havaita sateettomana aikana lievää muutosta emäksiseen suuntaan, mutta tilanne vaihtuu täysin päinvastaiseksi sateen aikana; tällöin kasvillisuuden läpi jokiuomaan virtaavan happaman veden määrä lisääntyy ja vesi muuttuu havaittavasti myös joessa. Tutkitun metsäalueen ollessa luonnonsuojelualuetta, oli havaintojen mukaan alueella huomattava määrä hajoavaa orgaanista ainesta, josta voi yhdessä elävän kasvuston kanssa vapautua typen oksideja, hiilihappoa, sekä happamia orgaanisia yhdisteitä, jotka muuttavat vedenlaatua [7]. Peltoalueen hyvin pienillä suojavyöhykkeillä oleva kasvusto koostui pääasiallisesti matalasta heinäkasvustosta, jonka tehtävänä on rajoittaa pellon vesien huuhtoutumista jokeen. Tämä ei kuitenkaan riitä ja syksyllä kalkittujen peltojen lannoitejäämät, sekä emäksinen veteen liuennut lannoitekalkki kulkeutuvat sateen aikana veteen ja muuttavat sitä havaittavasti emäksisemmäksi.
14 Sateen aikana tapahtuu myös lämpötilannousu peltoalueen halki virtaavassa vedessä, mikä on toinen selvä poikkeama metsäalueen havainnoista. Tässä tapauksessa havaintoaineiston pienuudesta johtuen ei kuitenkaan ole mahdollisuutta analysoida muutoksen aiheuttajaa kuin hypoteettisella tasolla; voi olla mahdollista, että sade- ja pintavaluntaveden jokivedestä poikkeava lämpötila on muuttanut arvoja lämpötilaeron suunnan mukaisesti. Koska perustuotanto näin myöhään syksyllä on hyvin heikkoa, ovat suurimmat jokiveden happipitoisuuteen vaikuttavat tekijät kytköksissä joen hydrologisiin ominaisuuksiin, kuten sen virtausnopeuteen ja koskien määrään [3]. Liuenneen hapen pitoisuus nousee sateettomana aikana enemmän metsä- kuin peltoalueella myös yksittäisten vesimassojen arvojen muutosten tarkastelussa, jossa tutkittiin tietyn mittausarvon muuttumista kyseisen veden kuljettua mittauspisteeltä toiselle. Runsashappisilla ilmakehän kanssa tiiviimmässä vuorovaikutuksessa olevilla valuvesillä saattaa olla happipitoisuutta kasvattava vaikutus metsäalueen jokiveteen. Peltoalueelta tällainen luontainen virtausjärjestelmä puuttuu ja valunta koostuu vain peltojen hajavalunnasta ja laskuojien vesistä [10]. Sameus oli yksi tutkimuksemme mielenkiintoisimmista parametreista, sillä se kuvaa hyvin joen kuormitusta ja sen on todettu korreloivan kokonaisfosforipitoisuuden kanssa [19]. Keravanjoen vesi on kirkkaampaa ylä- kuin alajuoksulla [3] ja tämä havaitaan myös tässä tutkimuksessa veden suhteellisen kirkkauden ollessa korkeampi metsä- kuin peltoalueella. Sameus oli myös yksi niistä parametreista, jotka lisääntyivät sateiden alettua, mikä kertookin lisääntyneen virtausvoimakkuuden irrottamasta sedimenteistä, joista osa saattaa sisältää lannoitteita [20]. Kummallakin tutkimusalueella sameus korreloi positiivisesti sähkönjohtavuuden kanssa, mutta lämpötila- ja ph-korrelaatiot vaihtuivat tutkimusalueelta toiselle. Parametrien välisiä yhteyksiä Keravanjoen peltoalueella on tutkittu aiemmin Kløve, Kettunen, Varis, Vakkilainen & Sirviön toimesta (1991) ja tutkimallamme peltoalueella sameuden havaitut korrelaatiot olivat hyvin samankaltaisia kyseisen tutkimuksen kanssa, joskin Pearsonin korrelaatiovoimakkuudeltaan hieman voimakkaampia. Sameuden lisääntyessä viilentynyt vesi sisältää enemmän varattuja hiukkasia, jotka voivat olla tai voivat muodostaa emäksisiä aineita, sillä ph-arvo nousee. Kløve ym. (1991) eivät havainneet tutkimuksessaan voimakasta korrelaatiota liuenneen hapen pitoisuuden ja sähkönjohtavuuden välillä, jonka havaitsin keräämästäni datasta. Korrelaation taustalla ei voi olla happianturin sähkönjohtavuuskompensaatio [16,17], vaan todennäköisemmin runsashappinen vesi on hyvin sekoittunutta ja sisältää paljon ioneja verrattuna vähähappisempaan,
15 vähemmän sekoittuneeseen veteen. Tämä ei kuitenkaan näy metsäalueella, jossa happipitoisuus ja sähkönjohtavuus korreloivat heikon negatiivisesti keskenään. Kyseisen muutoksen taustalla voivat olla happirikkaat, vähä-ioniset valuntavedet, jotka valuvat jokeen ja yhdessä mahdollisen (samat ominaisuudet omaavan) pohjaveden kanssa aiheuttaa vedenlaadun muutoksen. Sameuden kanssa tapahtuva korrelaatio on metsäalueella samanlaista kuin peltoalueella ph-arvon muutosta lukuun ottamatta. Sameusarvot lisääntyvät yleensä virtaaman ja sateiden yhteydessä, mikä aiheuttaa kasvanutta valuntaa ympäröivältä metsäalueelta, jossa valuveteen liukenee happamia yhdisteitä. Tämä vesi lisää joen virtaamaa ja sen irrottamaa pohjasedimentin määrää, mikä taas lisää sähkönjohtavuutta ja näkyy sähkönjohtavuuden ja ph:n negatiivisena korrelaationa. Tutkimuksessa kahden tutkitun mittausalueen kasvillisuudella oli vaikutusta vedenlaatuparametreihin. Kahden tutkimusalueen ylä- ja alajuoksulle sijoitettavan robotin avulla pystyttiin eliminoimaan ennen tutkimusaluetta tapahtuvat vedenlaadun muutokset ja pystyttiin tarkastelemaan vain tietyllä alueella tapahtuvia muutoksia. Laaja anturivalikoima mahdollisti kohtuullisen kattavan korrelaatiomatriisin laskemisen, joka usein supisti huomattavasti mahdollisten muutosten aiheuttajien määrää ja helpotti korrelaatioiden ja vedenmuutosten taustalla olevien prosessien hahmottamista. Juuri kalkittujen peltoalueiden päästöt oli mahdollista jäljittää kahden mittausaseman välillä tapahtuvaksi muutokseksi ja kesällä vastaavilla järjestelmillä on mahdollista tarkastella perustuotantoa ja pellon ravinnekuormitusta. Jo tällä datamäärällä on mahdollista sanoa, ettei yläjuoksun metsäaluetta ympäröiviltä kalkituilta pelloilta pääse havaittavissa määrin vettä Keravanjokikanjonissa virtaavaan veteen. Tästä huomataan yksinkertainen yhteys suojavyöhykkeen koon ja pelloilta valuvien vesien välillä, mutta tarkempi suojavyöhykkeiden tutkimus edellyttäisi useampia, erikokoiset suojavyöhykkeet omaavien peltoalueiden tutkimista. Koska onnistuin rakentamaan tieteellisesti tarkan automaattisen mittausaseman harrastelijabudjetilla, on ammattilaistenkin mahdollista rohkeasti rakentaa näitä perusparametreja mittaavia laitteita itsenäisesti. Yhden ammattilaiskäyttöön tarkoitetun yhtä parametria offline - tilassa mittaavan YSI 600 OMS V2- mittarin hinnalla saisi tehtyä kymmenen tässä tutkimuksessa käytettyä mittausasemaa, joiden tietoja voi kaiken lisäksi seurata reaaliaikaisesti internetissä. Näin suojavyöhykkeitä ja maankäytön yhteyttä vedenlaatuun on mahdollista tutkia vaikka kymmeneltä mittauspisteeltä samaan aikaan. Tämän tutkimuksen tavoitteena onkin ollut tuottaa perustiedot vedenlaadun muutoksista kahden maankäytön muodon ääripään välillä ja siinä onnistuttiinkin saavuttamaan tilastollisesti merkittäviä tuloksia.
16 5.3 Tulosten luotettavuus Tutkimuksen kenties suurin haaste liittyi anturien kalibrointiin siten, että niiden arvot olisivat samanlaisessa vedessä samanlaisia. Tämän varmistamiseksi kaikki sensorit kalibroitiin samaan aikaan samassa kalibraatioliuoksessa ja niiden arvojen yhdenmukaisuus tarkistettiin vielä aidoilla jokivesinäytteillä. Kaikki anturit onnistuttiin saamaan arvoiltaan samoiksi ja niiden käytössä seurattiin tarkkaan laitevalmistajan ohjeita; muun muassa ph-anturi ei päässyt kuivumaan kertaakaan tutkimuksen aikana. Mittausjaksojen jälkeen robottien arvot tarkistettiin vielä kerran ja näissä arvoissa mahdollisesti ilmenneet keskinäiset poikkeamat on ilmoitettu luvussa 3 mittarien tarkkuusarvoina. Toinen suuri ongelma liittyi anturien sijoittamiseen; niiden täytyi olla sekä tietyllä etäisyydellä rannasta että tietyllä vakiosyvyydellä, jotta nämä tekijät eivät vaikuttaisi mittaustuloksiin, kuten useissa muissa automaattista seurantaa hyödyntävissä tutkimuksissa on käynyt [3]. Tämän vuoksi robotista tehtiin kelluva ja se sijoitettiin narulla vakioetäisyydelle rannasta. Kahden robotin järjestelmä mahdollistaa tutkimusalueen ulkopuolisten, mittausasemien suhteen ylävirralle sijoittuvien muuttuvien tekijöiden, esimerkiksi Keravanjokikanjonin pohjoispuolella sijaitsevan Kaukaan jätevedenpuhdistamon eliminoinnin mittaustuloksista. Huolimatta automaattisen mittausaseman halvasta hinnasta, saatiin sillä tieteellisen tason mittaustuloksia. Ainoana mittareihin liittyvänä ongelmana pidempiaikaisessa seurannassa saattaa koitua lietteen kertymisestä sameussensoriin, mutta mahdollisissa tulevissa malleissa se voidaan korvata helpommin kuljetettavalla ja tarkemmalla mallilla. 5.4 Jatkotutkimusmahdollisuudet Tutkimuksessa on mitattu monia eri parametreja Keravanjoen vedestä yhteensä neljältä eri mittauspisteeltä, joten mittausaineistoa ei ole kertynyt koko vesistön alueelta. Olisi paljon luotettavampaa tutkia veden laatua kymmenistä eri joen osista mahdollisesti vielä yhtä aikaa, jolloin koko joen arvot saataisiin samaa aikaan taulukoitua ja vertailtua. On kuitenkin muistettava, että kukin mittalaite on harrastelijabudjetilla melko kallis ja suhteellisen työläs valmistaa, joten mittauspisteiden määrä tulee suhteuttaa tutkimuksen budjettiin. Helpompi tapa saada lisää mittausaineistoa on yksinkertaisesti mitata pidemmillä mittausjaksoilla, jolloin aineistoa kertyy huomattavissa määrin
17 enemmän. Ideaali mittausjakso olisi tietysti mahdollisimman yhtäjaksoinen ja pitkä. Esimerkiksi kuukauden mittainen jakso kesällä antaisi huomattavasti enemmän analysoitavia mittaustuloksia jokea ympäröivän peltovyöhykkeen haittavaikutuksista jokiveden laatuun verrattuna metsävyöhykkeen aiheuttamiin vaikutuksiin. Tämänhetkiseen mittalaitteeseen voitaisiin lisäksi kiinnittää muun muassa syvyys-, virtaama ja ORP (Redox-potentiaali)-mittarit, jolloin tutkimusaineistoa saataisiin hyvin paljon enemmän kuin tässä tutkimuksessa saatiin. Nykyisistä mittareista sameusmittarin antamia arvoja voitaisiin parantaa merkittävästi muuttamalla mittarin rakennetta hieman toisenlaiseksi (LIITE 3). Pelkkä mittausdatan määrä ei kuitenkaan ole ainoa, johon jatkotutkimuksissa voidaan kiinnittää nykyistä enemmän huomiota. Uusissa tutkimuksissa voitaisiin esimerkiksi tutkia sitä millainen vaikutus erilaisilla sääilmiöillä on veden parametreihin. Tutkimuksissa voitaisiin tutkia esimerkiksi mistä johtuu sähkönjohtavuuden ja happipitoisuuden välinen yllättävä korrelaatio. Onko se täysin sattumaa, vai onko kyseessä todella 0,798 suuruinen korrelaatio näin eri muuttujista muodostuvien parametrien välillä. Toisaalta voitaisiin tutkia korkeuserojen vaikutusta viiveeseen sadetapahtumien jälkeisten ravinnepitoisuuspiikkien havaitsemiselle. Uutta tutkimusta voitaisiin jatkaa tutkimalla laajalla otannalla, kuinka paljon leveämmät suojavyöhykkeet joenvarrella oleville pelloille tarvittaisiin suositusten mukaisten vaikutusten saavuttamiseksi. Tutkimuksessa siis pyrittäisiin selvittämään, kuinka suojavyöhykkeen koko vaikuttaa joen ravinnetalouteen. Tällainen korrelaatio olisi mielenkiintoista laskea sellaisten matemaattisten mallien (ja mahdollisten simulaatioiden) avulla, joita ei vielä tässä tutkimuksessa pystytty hyödyntämään. Koko tutkimusaineistoa voitaisiin pyrkiä analysoimaan aivan uusilla matemaattisilla menetelmillä, jolloin tuloksista voitaisiin mahdollisesti havaita aivan uudenlaisia (suuremman kertaluvun) korrelaatioita muihin parametreihin nähden. Tutkimuksen ei tarvitsisi myöskään rajoittua vain yhden joen valuma-alueelle, vaan voitaisiin vertailla monien lähialueiden jokien yhtäläisyyksiä ja eroja samoista mitatuista parametreista ja pyrkiä selvittämään mistä mahdolliset samankaltaisuudet tai poikkeamat johtuvat. Tällaista vertailua voitaisiin tehdä myös tällä hetkellä muista joista aiemmin mitattujen arvojen perusteella, mutta luotettavimpia tuloksia saataisiin yhtäaikaisesti mitatun datan perusteella. Jatkotutkimusmahdollisuuksia on rajattomasti, mutta niissä olisi aina hyvä huomioida tutkimuksen luonnolle aiheuttama rasitus ja budjetti, sillä tutkimustyö ei koskaan ole täysin ilmaista.
18 6 Mittausaseman kehitystyö Tämä tutkimus Keravanjoen vedenlaatuun vaikuttavista ympäristötekijöistä on saatu kunnialla päätökseen, mutta matka ei ollut aivan mutkaton. Tutkimuksen edetessä tapahtui useita epäonnisia takaiskuja ja odottamattomia sattumia. Robotin ensimmäinen testiversio kesti huimat neljä tuntia ennen kuin syyskuinen rankkasade ja tuulinen sää aiheuttivat yllätyksellisen vesivahingon. Tämä epäonninen sattumus johtui aurinkopaneelin kaatumisesta, kun huonoksi onneksi robotin yläpuolelle asetettu paneeli sattui kaatumaan sellaiseen kulmaan että vielä tässä vaiheessa rannalle sijoitetun keskusyksikön laatikon seinämän reiästä pääsi valumaan aurinkopaneelia pitkin vettä suoraan virtalähteen kytkentään aiheuttaen oikosulun ja latausohjaimen hajoamisen. Seuraavassa versiossa koko keskusyksikön kotelo oli vaihdettu erilaiseen laatikkoon ja kotelon reunat oli varmuudeksi vuorattu vaahtomuovilla kolhujen välttämiseksi. Tämä versiokaan ei suureksi harmiksi selvinnyt yli vuorokautta, sillä joukko yläasteikäisiä poikia onnistui sattumalta löytämään hyvin piilotetun robotin ja uteliaisuudessaan he onnistuivat irrottamaan tärkeitä johtoja keskusyksiköstä, jolloin mittarit lakkasivat toimimasta. Robotti löytyi ilmeisesti edellisenä iltana, sillä osa pojista oli tullut minua ja Roope Luukkaista vastaan metsässä poistuessamme robotin luota. Seuraavana iltapäivänä löysimme pojat ahertamasta mittausaseman luota. Kolmanteen versioon muutettiin keskusyksikön laatikon sulkumekanismi edellistä varmemmaksi ja sameusmittarinlaatikko ympäröitiin jätesäkeillä, jolloin ulkoista valoa ei päässyt enää laatikon sisälle. Tämä kokeiluversio koki kohtalonsa syyskuun loppupuolella sattuneen rankkasadejakson seurauksena, jolloin vedenpinta nousi paikallisesti mittalaitteen kohdalla yli metrin. Runsaan veden nousun selittänee robotin sijainti sahissa, jossa kyseisen tulvan sattuessa vesi nousi kivikon ja matalan saarekkeen yläpuolelle huuhtoen koko laitteiston mukaansa saarekkeen päältä. Laitteisto lakkasi toimimasta upottuaan veteen. Mittausasemaa ei ole edes löydetty säännöllisistä yhä laajemman alueen kattavista etsinnöistä huolimatta. Epäonnisen katoamisen johdosta toinen roboteista oli mennyttä ja oli tilattava uudet mittarit ja osat uuden rakentamista varten. Tässä kului suunnattomasti aikaa, sillä toimittamien tuntui takkuilevan suuresti ja osa tuotteista päätyi aluksi Vaasaan Vantaan sijaan, vaikka internetissä tehdyn tilauksen tiedoissa selvästi ilmoitettiin toimituspaikkakunnaksi Vantaa. Lopulta osien saavuttua perille ja uuden rakennusurakan alettua tapahtui tutkimuksen kannalta merkittävin inhimillinen virhe. Rakentaessani
19 robotin virtajärjestelmää joutuivat anturien mikropiirit kytköksiin 12V jännitteeseen 5V sijaan, jolloin jokainen niistä hajosi. Oli siis jälleen tilattava uudet mikropiirit mittausantureille, mikä entisestään hidasti tutkimuksen kulkua. Neljännessä versiossa pyrittiin ottamaan kaikki mahdolliset riskitekijät huomioon ja tehtiin tutkimuksen onnistunein uudistus robotin rakenteessa. Keskusyksikköön (LIITE 5) lisättiin pääosin polyuretaanista koostuva kelluke, joka esti laitteiston uppoamisen jopa yli kymmenen kilogramman lisäpainolla. Keskusyksikön päälle kiinnitettiin vielä jätesäkki estämään sadeveden ja roiskeiden pääsyn lähellekään tiivistettyä laatikkoa. Tämä nerokkaasti valmistettu vesieristys teki laitteistosta hieman vaikeammin naamioitavan, mutta tällä hetkellä kaikissa testatuissa olosuhteissa 100% vedenpitävän. Lisäksi sameusmittari kiinnitettiin vahvalla punotulla narulla kiinni keskusyksikköön, jolloin sähköjohdoille ei aiheutunut turhaa jännitettä mahdollisessa liikkeessä. Tässä versiossa kelluva keskusyksikkö oli altis virtaukselle, joten se kiinnitettiin samanlaisella narulla kiinni rantaan. Kolmas uudistus tehtiin mittausantureiden sijoitukseen. Ennen pohjassa sijainneeseen painoon kiinnitetyt anturit siirrettiin uudella metodilla toisenlaiseen painoon, joka roikkui vapaasti vakiosyvyydellä keskusyksikön pohjasta. Tämä lisäsi mittareiden toimintavarmuutta ja vähensi niiden riskiä joutua pohjamutaan (LIITE 2). Kaikista uudistuksista huolimatta neljäs versio koki äkillisen muutaman päivän tutkimusta viivyttäneen takaiskun, joka johtui äkillisistä ensipakkasista. Vaurio oli mitätön, mutta aluksi mahdottomalta tuntuva korjattava. Latausohjaimeen oli kondensoitunut kosteutta, joka oli pakkasen vaikutuksesta jäätynyt ja lamauttanut virtajärjestelmän sammuttaen koko laitteiston. Tähän ongelmaan kuitenkin löytyi yllättävästi helppo ratkaisu, nimittäin latausohjaimen kääntäminen eri asentoon esti pahimman kosteuden pääsyn sen sisälle, jolloin jäätyvän nesteen määrä oli todella vähäinen. Kaikista ongelmista selvittiin ja tutkimus saatiin runsaasti suunniteltua myöhemmin käyntiin marraskuun alkuviikoilla. 7 Kiitokset Kiitokset ahkeralle tutkimusavustajalleni Roope Luukkaiselle, joka aina tutkimuslaitteen hajotessa kannusti sitkeästi jatkamaan ja auttoi mittalaitteen mekaanisessa rakentamisessa, sekä antoi siihen liittyviä kehitysideoita, joita ilman tutkimus ei olisi välttämättä koskaan onnistunut. Lisäksi haluan kiittää ohjaajaani Mika Melleriä ideasta tutkia Keravanjokea.
20 Lähteet [1] Anonyymi. 4.4.2012. DontFlushMe CSO Sensor v3 from Water Hackathon. [WWW-dokumentti] http://dontflush.me/420 (Luettu 20.11.2012) [2] Kløve, B., Kettunen, E., Varis, O., Vakkilainen, P. & Sirviö, H. 1991. A Real-time monitoring system for Kerava river quality. Environmental Monitoring and Assesment 24 (2). Tammikuu 1993. s. 167-180 [3] Helsingin seudun vesiensuojeluyhditsys ry. Männynsalo, J. & Vahtera, H. Vantaanjoen yhteistarkkailu Vedenlaatu vuonna 2008. Vesiensuojeluyhdistyksen julkaisu 62/2009. Saatavilla www-muodossa: http://www.vhvsy.fi/f/vuosiraportti08.pdf (Luettu 26.10.2012) [4] Pohjois-Pohjanmaan ELY. 2011. Happipitoisuus. [WWW-dokumentti] Suomen ympäristökeskus http://www.ymparisto.fi/default.asp?node=12082&lan=fi (Luettu 13.11.2012) [5] Niemi, J. & Raateland, A. 2007. River quality in the Finnish Eurowaternet. Boreal Environment Research 12. s. 571-584. Saatavilla www-muodossa: http://download.springer.com/static/pdf/440/art%253a10.1007%252fbf00547985.pdf?auth66=13538 41672_a234b51f1b792653d2c21a7ff0eed85b&ext=.pdf (Luettu 10.11.2012) [6] Tuomi, J. Ei päiväystä. Metsätyypit. [WWW-dokumentti] http://cc.oulu.fi/~jtuomi/yhteiso10.html (Luettu 12.11.2012) [7] Happonen, P., Holopainen, M., Sotkas, P ym. 2008. BIOS 3 Ympäristöekologia. Sanoma Pro. [8] Åbo Akademi. 2006. Ammoniakki. [WWW-dokumentti] http://web.abo.fi/instut/fisk/fin/miljo/ammoniak.htm (Luettu 22.11.2012) [9] Länsi-Suomen ympäristökeskus. 2005. Suojavyöhykkeiden suunnittelu. [WWW-dokumentti] Suomen ympäristökeskus http://www.ymparisto.fi/default.asp?node=13113&lan=fi#a3 (Luettu 15.11.2012) [10] Uudenmaan ympäristökeskus. 2008. Keravanjokikanjonin lehto. [WWW-dokumentti] Suomen ympäristökeskus http://www.ymparisto.fi/default.asp?contentid=11657 (Luettu 19.11.2012) [11] Valkama, P., Lahti, K. & Särkelä A. 2008. Jatkuvatoiminen veden laadun seuranta hajakuormituksen arvioinnissa. Julkaisussa: Maataloustieteen Päivät 2008 [verkkojulkaisu]. Suomen Maataloustieteellisen Seuran tiedotteita no. 23. Toim. Anneli Hopponen. [12] YSI. 2011. YSI600OMSV2 - specifications. [WWW-dokumentti] http://www.ysi.com/productsdetail.php?600oms-5 (Luettu 15.9.2012) [13] Turnerdesign. 2000. The ISO 7027 Turbidity Technique. [WWW-dokumentti]
21 http://www.turnerdesigns.com/t2/doc/appnotes/s-0132.pdf (Luettu 24.11.2012) [14] AtlasScientific. Ei päiväystä. Micro footprint electrical conductivity [WWW-dokumentti] http://atlas-scientific.com/_files/ec_circuit_3.0.pdf (luettu 4.7.2012) [15] AtlasScientific. Ei päiväystä. Micro footprint ph monitoring subsystem [WWW-dokumentti] http://atlas-scientific.com/_files/ph_circuit_3.0.pdf (luettu 4.7.2012) [16] Weiss, R. 1970. The solubility of nitrogen, oxygen, and argon in water and seawater. Deep-Sea Res. 17: 721 35 [17] Anonyymi. Ei päiväystä. The Practical Salinity Scale 1978 (PSS-78). [WWW-dokumentti] http://salinometry.com/joomla/index.php/pss-78.html (Luettu 25.11.2012) [18] Helsinki Testbed. 2012. Tikkurilan sääaseman sademäärätiedot. [WWW-dokumentti] Ilmatieteenlaitos http://testbed.fmi.fi/time_series.html?producer=wxt%c2%b6meter=rainamount&station=tikkurila_w xt&latest=false%c3%97tamp=2012111503 (Luettu 20.11.2012) [19] Helsingin seudun vesiensuojeluyhdistys ry. Vahtera, H. & Lahti, K. 2011. Vantaanjoen yhteistarkkailu Jatkuvatoimiset vedenlaatumittaukset Vantaanjoen yläjuoksulla kesällä 2011. Raportti 11.11.2011. [20] Valkama, P., Lahti, K. & Särkelä, A. 2008. Fosfori- ja typpikuormituksen muodostuminen Lepsämänjoessa kevät- ja syystulvatilanteissa. Vesitalous 5/2008: s. 26-30.
Liitteet LIITE 1 Mittausaseman kytkentäkaavio
LIITE 2 Mittausjärjestelyn kaaviokuva, ei mittakaavassa LIITE 3 Paranneltu sameussensori Paranneltu sameussensori, jossa valoanturi on kohtisuorassa valonsädettä vastaan (ISO 7027)