Vedenpidättäminen valuma-alueella vesiensuojelun ja tulvanhallinnan menetelmänä

Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Vesi- ja ympäristötekniikan laboratorio Diplomityö Vedenpidättäminen valuma-alueella vesiensuojelun ja tulvanhallinnan menetelmänä Oulussa 12.4.2012 Tekijä: Kaisa Kettunen Työn valvoja: Björn Klöve Professori Työn ohjaaja: Hannu Marttila Tekniikan tohtori Työn ohjaaja: Esa Solismaa Diplomi-insinööri

OULUN YLIOPISTO Teknillinen tiedekunta Osasto Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Tekijä Kettunen, Kaisa Reetta Tiivistelmä opinnäytetyöstä Laboratorio Vesitekniikan laboratorio Työn valvoja Klöve B, professori Työn nimi Vedenpidättäminen valuma-alueella vesiensuojelun ja tulvanhallinnan menetelmänä Oppiaine Työn laji Aika Sivumäärä Vesitekniikka Diplomityö Toukokuu 2012 87 s. Tiivistelmä Tämän työn tarkoituksena on selvittää Leukunjoen valuma-alueella Kivijärven kunnassa, voidaanko varastotilavuutta muuttavilla ja virtaamia ohjaavilla toimenpiteillä vaikuttaa valuma-alueen hydrologiaan ja alapuolisten vesistöjen tilaan. Leukunjoki laskee Leukunlahteen, joka on osa Kivijärveä. Alueella on tehty paljon turvemaiden ojituksia ja valuma-alueen vedenpidätyskyky on heikentynyt. Tutkimusalueella esiintyvät tulvat ovat lyhyitä, mutta voimakkaita, jolloin kulkeutuvat myös suurimmat vesistökuormitukset. Vuonna 2007 käynnistettiin puro- ja valuma-aluekunnostushanke, jonka yhteydessä Leukunlahden tila tutkittiin. Leukunlahti on lievästi hapan ja humuspitoinen ja sen fosfori- ja typpipitoisuudet vastaavat rehevän järven arvoja. Erilaisilla vedenpidätysmenetelmillä voidaan parantaa veden laatua ja vaikuttaa veden määrään, tässä työssä tarkastellaan laskeutusaltaita, putkipatoja, pintavalutuskenttiä, kosteikoita sekä erilaisia tulvitusalueita. Laskeutusaltaat voivat pidättää vettä ojitusalueilla sekä poistaa karkeaa kiintoainetta, pintavalutuskentät ja kosteikot toimivat hyvin myös hienommalla maa-aineella. Putkipadot pidättävät tehokkaasti ojitusalueelta tulevia virtaamapiikkejä, jolloin myös kiintoaine laskeutuu, kun ojaverkostoon saadaan pidätysaikaa. Lampien pinnannosto ja turvetuotantoalueen vesitys lisäävät tulvitusalueita. Ne toimivat sekä veden väliaikaisena varastona että tekojärvenä, jolloin saadaan maisemallista hyötyä. Vedenpinnankorkeustietoa Leukunjoen valuma-alueelta on vuosilta 2007-2010. Tämän avulla saatiin määritettyä alueen virtaamat. Tässä työssä eri vedenpidätysmenetelmiä etsittiin ja sijoitettiin valuma-alueelle siten, että kokonaispidätystilavuudeksi arvioitiin noin 4,5 miljoonaa m 3. Kevättulvan aikaan 2010 vedenpidätysrakenteet pidättävät yli puolet tulvan vesimäärästä eli 7 päivää, kun tulvan kesto on 25 päivää. Kerran 20 vuodessa toistuvan tulvan vedenpidätysrakenteet pidättävät arviolta 3 päivää. Vedenpidätysmenetelmistä Leukunjoen valuma-alueella lampien pinnannostoilla on suurin vaikutus. Lampien pinnannosto vastaa 40 % saavutetusta pidätystilavuudesta ja turvetuotantoalueen vesittäminen 32 %. Vastaavasti kosteikoiden ja putkipatojen pidätystilavuudet ovat 28 % kaikista pidätystilavuuksista. Lampiin ja turvetuotantoalueelle saadaan pidätettyä tulvavesiä eniten, mutta kosteikoilla on kuitenkin suuri merkitys kiintoaineen ja ravinteiden poistossa, koska siellä on mikrobitoimintaa. Leukunjoen valuma-alueelle kannattaa rakentaa kosteikkoja tai pintavalutuskenttiä, jotta kiintoainetta ja ravinteita saadaan poistumaan sekä nostaa lampien pintaa, jotta tulvat saadaan varastoitua niihin. Nämä toimenpiteet parantavat todennäköisesti Leukunlahteen kohdistuvaa kuormitusta. Säilytyspaikka Oulun yliopisto, tiedekirjasto Tellus Muita tietoja

University of Oulu Faculty of technology Department Department of Process and Environmental Engineering Author Kettunen, Kaisa Reetta Abstract of Thesis Laboratory Water Recourses and Environmental Engineering Laboratory Supervisor Klöve B, Professor Subject of the thesis Water retention in catchment area as a method for water protection and flood control Subject Level of studies Time Number of pages Water Engineering Master Thesis May 2012 87 pages Abstract The objective of this study was to find out that is it possible by changing storage capacity and controlling discharge to affect discharge and water quality. Study area is in town Kivijärvi, catchment area of river Leukunjoki. River Leukunjoki runs to bay Leukunlahti which is part of lake Kivijärvi. Area is mainly peat soil and due to peat drainage water retention capacities has been weaken. Floods in the study area are short, but strong and major part of load is transported during these events. In 2007 started brook and catchment area restoration project PUREVA and bay Leukunlahti was studied. According to this, bay is mildly acid, containing humus and its phosphorus and nitrogen concentrations levels indicates lake to be in eutrophic condition. With different water retention methods is possible to improve water quality and quantity. For example settling basins, peak runoff control (PRC)-structures, overflow fields, wetlands and different flood areas can be used. Settling basins are good settling for coarse suspended solids (SS), whereas overflow fields and wetlands are good for fine SS. PRC methods retain effectively peak runoffs to drainage network and provides good settling conditions for SS with longer retention time. Raising water level of in lakes or and watering of peat harvesting site can be used temporally store flood waters. For the study area water level data is available from 2007 to 2010. Using this information, discgarge and hydrological indices were calculated. Water retention methods were sought and put in catchment area so that total retention volume gained circa 4.5 million m 3. During spring flood in 2010 retention structures retain over half of water, or 7 days, when flood period last totally 25 days. Water retention structures retain once in 20 years repeating flood circa 3 days. For study area raising water levels in lakes has larger influence from retention methods. From total retention volume 40 % were in lakes, 32 % in peat harvesting, whereas in wetlands and PRC structures have 28 % from total volume. Lakes and peat harvesting can retain most efficiently, but wetlands have larger effect to SS and nutrient removal. In Leukunlahti catchment area is profitable to build wetlands and overflow fields so that SS and nutrients are removed and raise water levels in lakes to retain flood. These measures possible improve water quality in Leukunlahti. Library Location University of Oulu, Science Library Tellus Additional information

Alkusanat Tämä diplomityö tehtiin osana TASO-hanketta Keski-Suomen ELY-keskuksen toimesta Oulun yliopiston Vesi- ja ympäristötekniikan laboratoriossa. Työn on rahoittanut TASO-hanke ja Keski-Suomen ELY-keskuksen vesistöyksikkö. Suuri kiitos kuuluu Esa Solismaalle ja muille ELY-keskuksen työntekijöille korvaamattomasta paikallistuntemuksesta sekä avusta. Kiitos Metsäkeskuksen Juha Jämsenille. Työn rahoittamisesta kiitos Maa- ja vesitekniikan tuki ry:lle. Kiitos työn valvomisesta Björn Klövelle. Korvaamattomat kiitokset jokapäiväisestä tuesta ja ohjaamisesta Hannu Marttilalle. Kiitos myös koko Vesi- ja ympäristötekniikan laboratorion väelle kannustuksesta, erityisesti Ali Torabi Haghighille. Erityiskiitos kuuluu myös Riku Eskeliselle ja muille huonetovereilleni ATK-tuesta. Lopuksi haluan kiittää perhettäni ja ystäviäni kannustuksesta ja tuesta. Erityiskiitos kaikille teille, jotka olette opiskeluaikanani pidentäneet ikääni tavalla tai toisella. Suurin kiitos kiltahuoneen väelle, tytöille ja pojille, jokapäiväisestä piristyksestä ja tuesta. Oulussa 12.4.2012 Kaisa Kettunen

Sisällysluettelo Tiivistelmä Abstract Alkusanat Symboli- ja lyhenneluettelo 1 Johdanto... 9 1.1 Puro- ja valuma-aluekunnostushanke... 9 2 Veden luonnollinen kierto ja pidättyminen... 11 2.1 Ihmisen vaikutukset valuntaan... 11 2.1.1 Maankäytön vaikutus valuntaan... 12 2.2 Vedenpidätysmenetelmät valuma-alueella... 13 2.2.1 Laskeutusaltaat... 13 2.2.2 Putkipadot... 14 2.2.3 Pintavalutuskentät... 16 2.2.4 Kosteikot... 16 2.2.5 Tulvitusalueet... 18 2.3 Vedenpidätyksen vaikutukset vedenlaatuun ja virtaamiin... 19 2.3.1 Laskeutusaltaat... 19 2.3.2 Putkipadot... 20 2.3.3 Pintavalutuskenttä... 21 2.3.4 Kosteikot... 22 2.3.5 Tulvavesien pidättäminen... 25 2.4 Eri toimenpiteiden vaikutusten vertailu... 26 3 Tutkimusmenetelmät... 30 3.1 Virtaaman mittaus... 30 3.2 Hydrologiset tunnusluvut... 31 3.3 Todennäköisyysjakaumat... 32 3.4 Pidätystilavuuden laskenta... 33 3.4.1 Lampien pinnannoston tilavuuksien laskenta... 33

3.4.2 Kosteikoiden tilavuuden laskenta... 33 3.4.3 Putkipatojen tilavuuden laskenta... 33 3.4.4 Kiintoaineen laskeutumisen laskenta... 34 3.4.5 Tulvien vesimäärä... 34 3.5 Aineiston käsittely... 35 3.5.1 Paikkatietoaineiston käsittely... 35 3.5.2 Reservoir Routing... 35 3.5.3 Metsätalouden kosteikot... 37 4 Tutkimusalue... 38 4.1. Maankäyttö ja maaperä... 39 4.2 Vesistötoimenpiteet... 41 4.3 Leukunlahden tila... 41 5 Tulokset... 43 5.1 Virtaama... 43 5.2. Hydrologiset tunnusluvut... 46 5.3 Todennäköisyysjakaumat... 47 5.4 Menetelmävaihtoehdot Leukunjoen valuma-alueella... 47 5.4.1 Iso Pirttijärven pinnannosto... 48 5.4.2 Muiden lampien pinnannosto... 56 5.4.3 Kosteikot... 58 5.4.4 Putkipadot... 61 5.4.5 Muut menetelmät... 62 5.5 Vedenpidätysrakenteiden vaikutus tulvaan... 62 5.5.1 Tulvat Leukunlahden mittauspisteeltä... 65 5.5.2 Tulvat Tenholan mittauspisteeltä... 67 5.5.3 Tulvat Pitkäkosken mittauspisteeltä... 69 5.5.4 Pidätysrakenteiden vaikutus kiintoaineen laskeutumiseen... 71 5.5.5 Yhteenveto... 72 6 Tulosten arviointi ja keskustelu... 74 6.1 Menetelmävaihtoehdot ja vaikutukset viipymiin... 75 6.1.1 Iso Pirttijärven pinnannosto... 75 6.1.2 Muiden lampien pinnannosto... 76 6.1.3 Kosteikot... 77 6.1.3 Putkipadot... 77

6.1.4 Muut menetelmät... 78 6.2 Vesistön laatu... 78 6.3 Hyödyt ja haitat... 79 6.4 Johtopäätökset... 79 7 Yhteenveto... 82 Lähdeluettelo... 84

Symboli- ja lyhenneluettelo A pinta-ala (m 2 ) B padon harjan pituus (m) C purkautumiskerroin E haihdunta (mm) g putoamiskiihtyvyys (m/s 2 ) h yläveden korkeus (m) HQ ylivirtaama (m 3 /s) HW ylivedenpinnankorkeus (m) MHQ keskiylivirtaama (m 3 /s) MHW keskiylivesi (m) MNQ keskialivirtaama (m 3 /s) MNW keskialivesi (m) MQ keskivirtaama (m 3 /s) MW keskivesi (m) NQ alivirtaama (m 3 /s) NW alivedenpinnankorkeus (m) P sadanta (mm) Q virtaama (m 3 /s) q valunta (mm/a) q valuma (l/km 2 *s) r partikkelin säde (m) R 2 t T r v hyvyysluku viipymäaika (s) Toistumisaika (a) keskimääräinen nopeus (m/s) V tilavuus (m 3 ) µ dynaaminen viskositeetti (kg/m*s) µ purkautumiskerroin ρ tiheys (kg/m 3 )

9 1 Johdanto Tämän diplomityön tavoitteena on selvittää, voidaanko valuma-alueella tehtävillä varastotilavuutta ja virtaamia ohjaavilla toimenpiteillä vaikuttaa alapuolisten vesistöjen tilaan. Työssä selvitetään metsäojitetuille alueille rakennettujen vedenpidätysrakenteiden vaikutusta veden viipymään ja laatuun alueella. Erityisesti tarkastellaan vesiensuojelunmenetelmien soveltuvuutta eri kohteisiin sekä niiden mitoitusta ja hydrauliikkaa. Työn aikana tuodaan esiin vedenpidätysmenetelmien toiminnalliset ongelmat ja mahdolliset lisätutkimustarpeet. Kohdealueeksi on valittu Leukunjoen valuma-alue Kivijärveltä. Leukunjoen valuma-alueella on Keski-Suomen elinkeino-, liikenne- ja ympäristökeskuksen (myöhemmin K-S ELY-keskus) virtaama- ja vedenlaatuseurantaa. Lisäksi alueelle on tulossa valuma-alueella sekä virtavesistössä tehtäviä kunnostustoimenpiteitä. Osa niistä on sellaisia, joilla on vaikutusta myös tulvanhallinnan kannalta. Osa valuma-alueen toimenpiteistä on tehty jo talven 2010 aikana. Lisäksi Metsähallituksella on alueella lähiaikoina tehtyjä soiden ennallistamiskohteita. 1.1 Puro- ja valuma-aluekunnostushanke Vuonna 2007 käynnistettiin puro- ja valuma-aluekunnostushanke PUREVA Keski-Suomen ELY-keskuksessa (silloin Keski-Suomen ympäristökeskus). Aloitteen hankkeesta teki Kivijärven osakaskunta, jonka mielestä lahden tila oli heikentynyt. (Olkio ym. 2008) Nykyisin hanke on osa laajempaa ns. TASOhanketta, jonka tavoitteena on kehittää turvetuotannon ja metsätalouden vesiensuojelua. Hankkeen myötä vuonna 2008 Leukunjoen valuma-alueella tehtiin inventointi, selvitettiin kunnostuskohteet ja -tarpeet sekä Leukunlahden tila. Leukunlahden valuma-alueella on toteutettu laajat metsäojitukset 1960-luvulta lähtien. Alueella on myös turvetuotantoa ja etenkin Leukunjoen alaosassa peltoviljelyä. Ojitusten

10 ja perkausten vuoksi valuma-alueen vedenpidätyskyky on huonontunut. Tämä ilmenee esimerkiksi virtaamien äärevöitymisenä; tulvakaudet ovat lyhytaikaisia, mutta voimakkaita, kun taas alivesikaudet ovat pitkäkestoisia ja vähävetisiä. Purot ovat monin paikoin heikossa tilassa, koska niitä on perattu kuivatusta ja uittoja varten. 1980-luvulla uittosäännön kumoamisen yhteydessä on korjattu uiton haittoja, mutta purouomia ei kivetty, eikä tehty monimuotoisemmaksi. Myös ojitukset ovat heikentäneet purojen tilaa ja monet uomat ovat voimakkaasti liettyneitä. (Olkio ym. 2008, 9-10) Leukunlahti puolestaan on lievästi hapan ja sen humuspitoinen vesi luokiteltavissa erittäin ruskeaksi, lisäksi fosfori- ja typpipitoisuudet vastaavat rehevän järven arvoja. (Granberg & Olkio 2011, 7) Leukunlahden kuormitusselvitys tehtiin marraskuussa 2007. Siinä yhteydessä valuma-alueen eri osista otettiin vesinäytteitä. Näytteenoton ajankohdan ja kertaluontoisuuden vuoksi selvityksessä ei näy kevät- ja syystulvien vaikutusta alueen kuormitukseen, joka saattaa olla hyvin huomattava. Kuormitusselvityksen perusteella Leukunjoen ja sen sivuhaarojen veden laatu oli kiintoainetta lukuun ottamatta lähellä turve- ja suomaiden luontaista tasoa. Selvityksessä kuitenkin todetaan, että vaikka Leukunlahden sisäinen kuormitus on suuri, niin valuma-alueelta tulevaa maa- ja metsätalouden sekä turvetuotannon kuormitusta tulisi vähentää, jotta Leukunlahden tila paranisi. (Granberg & Olkio 2011)

11 2 Veden luonnollinen kierto ja pidättyminen Veden kiertokulkua luonnossa kutsutaan hydrologiseksi kierroksi. Vettä haihtuu ilmaan, sopivissa olosuhteissa vesihöyry tiivistyy ja syntyy sadetta. Sateesta osa varastoituu kasvillisuuteen, osa päätyy maanpinnalle, josta osa taas menee valuntana vesistöön ja osa suotautuu maaperään pohjavedeksi (kuva 1). Vettä pidättyy luonnollisesti erilaisiin vesimuodostumiin, joita ovat esimerkiksi lammet, järvet, luonnonkosteikot ja suot. Nämä pidättävät luontaisesti vettä ja aiheuttavat luontaisen viipymän valuma-alueella. Kuva 1 Veden kiertokulku (Suomen ympäristökeskus 2011) 2.1 Ihmisen vaikutukset valuntaan Ihmiset vaikuttavat veden kiertokulkuun muun muassa vesistöihin tehtävillä vesirakenteilla, pohja- ja pintaveden otolla, vesistöjen säännöstelyllä sekä maankäytöllä, kuten maataloudella ja metsätaloudella. Ne muuttavat vesien hydrologiaa, esimerkiksi taajamarakenteet sekä teollisuus vaikuttavat valunnan määrään ja haitallisten tulvien toistuvuus lisääntyy. Taajamissa päällystetään teitä vettä läpäisemättömillä pinnoilla ja rakennetaan ojia ja viemäreitä. Vettä läpäisemättömät pinnat lisäävät pintavaluntaa ja kasvattavat virtaamahuippuja, mutta toisaalta pienentävät pohjavaluntaa. (Kotola & Nurminen 2003, 16-17) Suurimpia vesistön hydrologiaa muuttavia vesien käyttömuotoja ovat voimalaitokset ja kanavat. Aiemmin vesirakentamista tehtiin vain hyödyn vuoksi,

12 1600-luvulla perattiin vesiväyliä ja laskettiin järviä ja 1900-luvulla rakennettiin voimalaitoksia ja kanavia. Tämän takia Suomen joista ei löydy pitkiä rakentamattomia osuuksia. Vasta viimeisten vuosikymmenten aikana on alettu myös kiinnittämään huomiota vesistöjen tilaan ja niitä on ruvettu kunnostamaan. (Jormola ym.1998, 26-27) 2.1.1 Maankäytön vaikutus valuntaan Vaikka kaupungistuminen ja maatalous vaikuttavat suhteessa eniten hydrologian muutoksiin, myös metsäojitus muuttaa sitä. Metsäojitus alentaa pohjaveden pintaa ja muuttaa suon hydraulisia ominaisuuksia. (Seuna 1990, 39) Suomessa suoritettujen tutkimusten mukaan metsäojituksen lisäämä vuosivalunta kasvaa ensimmäisten 10 vuoden aikana keskimäärin 0,3 0,6 % alueen ojitusprosenttia kohden, mikäli ojitusprosentti ei ole yli 50 %. Kuitenkin 15 20 vuoden jälkeen se palautuu alkuperäiselle tasolle ja voi olla jopa aiempaa pienempi. Metsäojitus kasvattaa kevätylivalumia, mikäli ojitusalue on vähäpuustoinen ja valuma-alueen yläjuoksulla ja pienentää kevätylivalumia, jos ojitus tehdään valuma-alueen alajuoksulla. Kesäylivalumat kasvavat yleensä, koska vedenvarastoitumiskyky ei riitä. (Seuna 1990, 39) Ylivaluman kasvu voi lisätä tulvaherkkyyttä alapuolisissa vesistöissä, riippuen siitä, missä päin valuma-aluetta ojitus on tehty. Toisaalta alajuoksulle tehty ojitus voi jopa pienentää tulvahuippuja. (Rantakokko 2002, 36) Uomaeroosio voi viedä kiintoainetta alapuolisiin vesistöihin, aiheuttaen alapuolisten vesistöjen rehevöitymistä, ja käyttöarvon alenemista. On myös todettu, että mikäli kunnostusojitus tehdään vanhan uoman paikalle, orgaanisen kiintoaineen kulkeuma kasvaa huomattavasti. (Seuna 1990, 39-41) Edellisen perusteella ojitetuille alueille tulisi kehittää erilaisia vedenpidätysmenetelmiä, jotta virtaamapiikit tasoittuisivat, eikä kiintoaine pääsisi huuhtoutumaan. Tietoa tulvavesien pidättämisestä valuma-alueelle on koottu, mutta sen merkitystä vesiensuojelukeinona on tutkittu vain vähän.

13 2.2 Vedenpidätysmenetelmät valuma-alueella Tulvaveden tilapäinen pidättäminen tulva-alueella leikkaa virtaamahuippuja ja hidastaa tulvan nousua. Vedenpidätysmenetelmiä ovat, esimerkiksi kosteikot, laskeutusaltaat, pintavalutuskentät, erilaiset padottamalla tehdyt tulvitusalueet sekä muutettujen järvien, lampien, tulvaniittyjen, peltojen ja metsien ennallistaminen. Näistä tehokkaimpina kiintoaine- ja ravinnekuorman vähentämismenetelminä pidetään pintavalutuskenttiä, tulvitusalueita, laskeutusaltaita ja kosteikkoja. (Rantakokko 2002, 31-43) 2.2.1 Laskeutusaltaat Laskeutusaltaat ovat rakennettuja vesialtaita, joiden tarkoituksena on estää maa-aineksen pääseminen vesistöihin. Vedet ohjataan laskeutusaltaaseen ojien avulla, jolloin veden nopeus hidastuu ja maa-aines ja siihen sitoutuneet ravinteet vajoavat altaan pohjalle. Laskeutusaltaat toimivat parhaiten karkeilla maalajeilla. Luonnontilaisten laskeutusaltaiden käyttöön vaikuttaa altaassa tapahtuva mikrobitoiminta sekä altaaseen kehittyvä kasvillisuus. Laskeutusaltaaseen pidättyy kiintoainetta kahdella tapaa, pohjakulkeuma pysähtyy kun pohjanopeus pienenee alle kriittisen miniminopeuden ja hiukkasen vapaa laskeutuminen tapahtuu gravitaation avulla. (Häikiö 1998, 8-11; Joensuu 1999, 29; Taponen 1995, 5) Laskeutusallas on luontevaa sijoittaa kohtaan, jossa virtausnopeus muutenkin hidastuu, kuten ojien kaltevuuden muutoskohtiin. Sen voi muodostaa joko padottamalla tai kaivamalla ja patoamalla. (Taponen 1995, 6-12) Vesistönsuojelullisessa mielessä vain patoamalla tehdyt laskeutusaltaat ovat tarkoituksenmukaisia, koska kaivamalla maa-ainesta irtautuu ja näin lisää kiintoaineen määrää. (Jormola & Puustinen 2005, 6) Laskeutusaltaan mitoituksessa käytetään pintakuormateoriaa, jossa oletetaan, että allas on suorakulmainen ja virtaus jakaantuu tasaisesti ja virtausnopeus on sama kaikkialla altaassa. Tällöin hiukkasen laskeutumisnopeus on sama kuin altaan tulovirtaaman ja altaan pinta-alan osamäärä. Pintakuorman dimensiona

14 käytetään metriä tunnissa. Hiukkasten laskeutumisnopeus voidaan arvioida Stokesin lain perusteella, jos oletetaan, että ainoa laskeutumista vastustava voima on viskositeetti, hiukkanen on pallonmuotoinen, kova ja sileä sekä hiukkaset eivät estä toisiaan laskeutumasta. Todellisuudessa kuitenkin vesi on turbulenttista ja se häiritsee suoraviivaista laskeutumista. Yleensä laskeutusaltaan mitoituksessa käytetään keskiylivirtaamaa, koska tulva-aikoina veden kiintoainekuorma on suurimmillaan. (Taponen 1995, 6-12) 2.2.2 Putkipadot Putkipato on putkirakenteinen pato, jonka rakennetta voidaan verrata metsäojaan rakennettavaan rumpuun (kuva 2). Sen etupuolelle tehdään laskeutusallas ja putken ylä- ja alapuolelle syvennykset, jotta putket pysyvät auki. Putkipadon avulla voidaan hetkellisesti varastoida metsäojiin ylivirtaamia, jolloin ylivirtaamat pienenevät sekä kiintoainekuormitus ja eroosio vähenevät. Kuitenkin siten, että metsän peruskuivatus ja puiden kasvu ei häiriinny. (Jämsen 2011) Putkipadon toiminta perustuu sedimentaation sekä uudelleen liikkeelle lähdön estämiseen. Sen toimintaan vaikuttaa valuma-alueen koko, padon sijainti, valumanopeus ja sen toimimattomuuteen vaikuttaa puolestaan liian suuri putken koko, riittämätön pidätystilavuus, joka johtuu ojan kallistuksesta tai liian pieni valuma-alueen koko. Mitä suurempi viipymä saadaan, sen paremmin hienojakoiset kiintoainepartikkelit laskeutuvat ja kun kiintoaineainekuormitus pienenee, niin myös ravinteiden määrä pienenee. (Marttila 2010, 59) Putkipadon kiintoaineen laskeutuminen tapahtuu ojaverkostossa, jossa vesi saa viipymäaikaa. Tämän lisäksi ojaverkostossa tapahtuu fysikaalisia, kemiallisia ja biologisia prosesseja, joiden avulla pidättyy etenkin fosforia ja orgaanista typpeä. (Jämsen 2011)

15 Kuva 2 Putkipadon rakenne (Jämsen 2011) Putkipato sijoitetaan paikkaan, joka mahdollistaa veden keräyksen yläpuolelta tulevasta valunnasta ja ojitusaluetta voidaan hyödyntää mahdollisimman hyvin vedenpidätykseen. Tämä onnistuu yleensä kokooja- ja valtaojien sekä niiden risteyskohtien avulla. Tavoitteena on saada mahdollisimman hyvät olosuhteet liikkeelle lähteneen kiintoaineen laskeutumiselle. (Jämsen 2011) Mitoituksen lähtökohtana käytetään ylivirtaamaa, koska putkipato pidättää vettä nimenomaan virtaamahuippujen aikana. Putkipadon perusmitoitus riippuu kahdesta muuttujasta, tarvittavasta veden pidätysmäärästä ja olemassa olevasta pidätystilavuudesta ojitusalueella. Säätöputken mitoitus puolestaan riippuu yläpuolisen valuma-alueen valunnan suuruudesta sekä tulvahuipuista. Näiden suuruuteen vaikuttaa useita tekijöitä, joista tärkeimmät ovat kaltevuus, pinta-ala sekä ojitusalueen koko suhteessa muuhun valuma-alueeseen. Yleensä putkipadot mitoitetaan usein toistuvien keskisuurten sateiden mukaan, jotka esiintyvät lumen sulannan aikana ja kesä- tai syysrankkasateiden aikana. Virtaamansäätö tapahtuu säätöputkeen asennettavan kulmayhteen avulla, jonka tarkoitus on myös estää roskien pääsy putkeen. Putkien pituuksien pitää olla vähintään 6 metriä ja halkaisija 200 mm, ylempi eli ns. ylivuotoputki asennetaan 30-40 cm:n syvyyteen maanpinnan tasosta, jotta ojitusalueen kuivatustehokkuus säilyisi ja padon rakenne kestäisi. (Jämsen 2011)

16 2.2.3 Pintavalutuskentät Pintavalutuskentällä tarkoitetaan yleensä veden ohjaamista ojittamattoman luonnontilaisen alueen kautta. Nykyisin kuitenkin voidaan metsäojitettua vesiensuojelukosteikkoa kutsua pintavalutuskentäksi, jos se on rakennettu pintavalutuskentän ohjeita soveltaen. (Postila 2007, 7) Pintavalutuskentän tehtävänä on puhdistaa siihen ohjattu vesi esimerkiksi turpeen tai kivennäismaan avulla. Useissa tutkimuksissa on havaittu, että ravinteet pidättyvät parhaiten pintaturpeeseen ja kasvillisuuteen. Turvetuotannon valumavesissä on rehevöitymistä aiheuttavia ravinteita, joita turpeen mikrobit voivat hyödyntää. Parhaiten ravinteet pidättyvät lämpimänä vuodenaikana pintakerrokseen. (Heikkinen ym. 1994) Vesi ohjataan usein kammanmuotoisten laskuojien kautta kentälle, jotta vesi saataisiin leviämään koko kentän alueelle ja sen nopeus pienenemään. Tämän lisäksi olisi tarkoituksenmukaista kaivaa laskuojaan nähden poikittainen syöttöoja, josta vedet johdetaan pintavalutuskentälle. Näin ollen suodatus tapahtuisi koko kentän alueella. Nykyisin vedet ohjataan laskeutusaltaan kautta pintavalutuskentälle, jotta karkea kiintoaines pidättyisi laskeutusaltaaseen jo ennen pintavalutuskenttää. Pintavalutuskenttä sopii nimenomaan hienorakenteisen kiintoaineen pidättämiseen. Siellä olevan turpeen on oltava paksua ja homogeenistä, ravinteiden sitoutumista edistää myös runsas kasvillisuus. (Joensuu 1999, 26-28; Jormola ym. 2003, 31-32) Pintavalutuskentän mitoituksessa olisi hyvä käyttää keskivirtaaman ja pintavalutuskentän pinta-alan suhdetta (hydraulinen kuormitus), joka tutkimusten mukaan Suomessa saa olla korkeintaan 340 m 3 /ha*d. Valunnan suuruus, valumaveden pitoisuus, lämpötila ja turpeen happipitoisuus vaikuttavat aineiden pidättymiseen. (Ihme ym. 1991, 157-159) 2.2.4 Kosteikot Kosteikot ovat vesistökuormitusta vähentäviä ojan, puron, joen tai muun vesistön osia, jotka ovat koko vuoden kosteana ja suuren osan ajasta veden peitossa. Niiden toiminta perustuu veden hitaaseen virtausnopeuteen sekä vesikasvillisuuteen, joka käyttää vedessä olevia ravinteita hyväksi kasvussaan.

17 Kosteikossa on usein myös mikrobitoimintaa. (Jormola & Puustinen 2005, 2-4) Suomen hydrologisissa olosuhteissa kasvillisuuden merkitys ravinnekuorman poistossa jää pienemmäksi, koska suurin osa ylivalumasta tulee kasvukauden ulkopuolella. Kasvillisuudella on kuitenkin suuri rooli virtaaman pienentämiseen. (Puustinen ym. 2001, 49) Useat tutkimukset osoittavat, että kosteikon toiminta tulva-aikana on erityisen tärkeää, koska valtaosa vuotuisesta valunnasta ja sen mukana tulevasta ainehuuhtoumasta tulee lyhyinä tulvahuippukausina. (Puustinen ym. 2001, 13) Kosteikon koko täytyy olla sitä isompi, mitä suurempi valunta siihen tulee, jotta veden viipymästä saadaan tarpeeksi suuri. Veden viipymällä on merkitystä etenkin kiintoaineen laskeutumisen kannalta, sillä lyhyellä viipymällä vain karkeimmat hiukkaset ehtivät laskeutua. Mikäli veden viipymä on liian lyhyt, tapahtuu kosteikossa kiintoaineen uudelleen liikkeellelähtöä. Tarkasteltaessa laskeutumista kosteikossa, voidaan perustana käyttää laskeutusaltaiden teoriaa (ks. kappale 2.2.1 Laskeutusaltaat). (Puustinen ym. 2001, 7) Kosteikon tärkeimmät prosessit ovat kiintoaineen ja siihen sitoutuneiden ravinteiden laskeutuminen sen pohjalle, pidättyminen sekä kerääntyminen ja typen denitrifikaatio. Laskeutusaltaaseen nähden kosteikon etuna on kasvillisuus, jonka vaikutuksesta veden virtausnopeus laskee. Lisäksi kasvillisuus toimii kiintoaineen tarttumispintana. Kosteikossa pidättyy parhaiten kiintoaine, kun taas maatalouden vesiä puhdistavassa kosteikossa pidättyy kiintoaineen mukana myös ravinteita. (Puustinen ym. 2001, 7-10) Kosteikon olosuhteet ovat usein edullisia denitrifikaatiolle, jossa nitraattityppi pelkistyy typpikaasuksi mikrobitoiminnan seurauksena ja typpikaasu poistuu vedestä ilmakehään. Useissa tutkimuksissa kerrotaan, että denitrifikaatioprosessiin vaikuttaa veden lämpötila, ph sekä orgaanisen aineen määrä, tulevan veden nitraattipitoisuus, happiolot ja veden viipymä. Kuitenkaan maatalouden valumavesissä tuleva nitraattityppi ei poistu denitrifikaatiolla. Hyvällä kosteikolla kasvien tarvitsevat ravinnemäärät voivat olla suuria, joten pidätyskyky on hyvä. Tutkimusten mukaan, jos kosteikkoa ei hoida, voivat vesikasvit lisätä ravinnekuormaa, kun ne lakastuessaan vapauttaa ravinteita.

(Puustinen ym. 2001, 7-10) Kuvassa 3 on kuvattu ravinteiden sitoutuminen ja liukeneminen. 18 Kuva 3 Ravinnekierron prosessit kosteikolla. Ammoniumtypen hapettuminen nitraatiksi (1). Denitrifikaatio (2 ja 3). Liuenneen fosforin sitoutuminen maaperään (4). Kiintoaine ja siihen sitoutuneen fosforin sedimentoituminen (5). Liuenneen fosforin sitoutuminen vedessä oleviin sedimentoituviin kiintoainehiukkasiin (6). Ravinteiden kerääntyminen biomassaan (7). Orgaanisen aineen laskeutuminen kosteikon pohjalle (8). (Puustinen ym. 2001 s.8) Useissa tutkimuksissa kerrotaan, että fosforin poistossa kosteikot ovat erittäin hyviä, koska suurin osa fosforista on sitoutuneena kiintoaineeseen. Mitoituksen kannalta ravinteiden poikkeava käyttäytyminen on hankalaa. Mikäli halutaan poistaa sekä fosforia että typpeä, kosteikon täytyy koostua monesta eri osasta, joka puolestaan saattaa kasvattaa kosteikon kokoa käytännössä liian suureksi. (Puustinen ym. 2001, 8, 49-50) Kosteikot elävöittävät maisemaa ja lisäävät luonnon monimuotoisuutta, esimerkiksi eläin- ja kasvilajistoa. Nouseva trendi on riistakosteikkojen perustaminen, joita metsästysseurat hoitavat ja hyödyntävät. 2.2.5 Tulvitusalueet Vedenpinnan nostolla pyritään parantamaan vesimuodostuman tilaa ja käyttökelpoisuutta. Pinnannosto aiheuttaa rantaviivan nousun, jolloin rantaaluetta jää veden alle sekä menovirtaamat muuttuvat. (Heikkilä 2004, 8) Järven pinnan nosto lisää viipymää, joka yleensä tarkoittaa, että ravinteet pidättyvät

19 sinne paremmin. (Muotiala, 1979) Suomaiden vesittämisen päätavoitteena Suomessa on ollut tekojärvien rakentaminen sekä jotta ne saataisiin virkistyskäyttöön, kalastukseen sekä lintu- ja riistajärviksi. Tulvavesien pidättämisen kannalta suomaiden vesittämisellä on pieniin jokiin suuri vaikutus ja isoihin jokiin pieni vaikutus, koska yleensä tekojärvistä ei saada kovin suuria. Kaikkein kannattavinta olisi vesittää samalta vesistöalueelta useita käytöstä poistuneita turvetuotantoalueita. (Karjalainen 2008, 80) 2.3 Vedenpidätyksen vaikutukset vedenlaatuun ja virtaamiin 2.3.1 Laskeutusaltaat Häikiö ja Laitinen (1996) tutkivat Pohjois-Savon sekä Länsi-Suomen ympäristökeskuksen (nykyisin Pohjois-Savon ja Etelä-Pohjanmaan ELYkeskus) alueilla sijaitsevien laskeutusaltaiden toimivuutta. Pohjois-Savon tutkimusallas sijaitsi Tuijanpuron valtaojan latvaosassa ja sen valuma-alue oli 2,1 km 2. Valuma-alueella on tyypillisiä sisäsuomalaisia metsä- ja maatalousalueita sekä kolme karjatilaa. Allas mitoitettiin virtaamalle 0,2 m 3 /s, jolloin altaan pinta-alaksi tuli 550-620 m 2 ja pintakuormaksi 1,2 m/h. (Häikiö 1998, 26) Länsi-Suomen tutkimusallas sijaitsi Luomannevanojan yläosalla, jonka valuma-alue oli noin 1,1 km 2. Valuma-alueella on 30 % peltoa ja maalaji on savi. Allas mitoitettiin virtaamalle 0,18 m 3 /s, jolloin pintakuormaksi tuli 0,7 m/h ja altaan vesipinta-alaksi 930 m 2. (Häikiö & Laitinen 1996, 12, 29) Tuijanpuron tutkimusallas kaivettiin kesällä 1995, jota ennen virtaamaa ja veden laatua oli jo tarkkailtu. Ennen uoman kaivua keskivalunta oli 14,4 l/s*km 2 ja kaivun jälkeen 6,9 l/s*km 2. (Häikiö 1998, 34-35) Luomannevanojasta otettiin muutamia näytteitä keväällä 1995 ennen kaivua, joka tapahtui saman vuoden syksyllä. Virtaamahavaintoja saatiin vain keväältä ja kesällä 1996, jolloin suurin tulvahuippu oli ohi. (Häikiö & Laitinen 1996, 12, 29) Uoman kaivun jälkeen kiintoainetta pidättyi noin 55 %, joka on vain arvio todellisesta pidätyksestä, koska kaivun yhteydessä kulkeutui karkeaa kiintoainetta, mikä edisti altaan pidätystehoa. Myöhemmin altaaseen pidättyi enää 18 % altaaseen tulleesta kiintoaineesta, mittausten perusteella kaikki

20 laskeutunut kiintoaine oli yli 1 µm:n partikkeleita. Poistumat voidaan jakaa karkeasti virtaaman suhteen. Pienillä virtaamilla (< 85 l/s) keskimääräinen poistuma oli 21 %, mutta vaihteli virtaamien mukaan, siten että mitä pienempi virtaama, sitä vähemmän altaasta huuhtoutui kiintoainetta. Virtaamilla 85-230 l/s altaaseen pidättyi jatkuvasti enemmän kuin sieltä lähti, noin 12 % kiintoaineesta pidättyi. Suurilla virtaamilla altaasta vapautui enemmän kiintoainetta, kuin sinne pidättyi, keskimäärin -7 %. (Häikiö 1998, 36-39) Luomannevanojan kiintoaineen pidättymistä oli hankalampi verrata, sillä ennen kaivua ojasta saatiin vain muutamia vesinäytteitä. Havaittujen kiintoainepitoisuuksien perusteella Luomannevanojalla vaikutukset jäivät pienemmäksi kuin Tuijanpurolla. (Häikiö & Laitinen 1996, 29) Tuijanpuron laskeutusaltaassa ainetaseiden perusteella altaaseen pidättyi vain 3 % kokonaistypestä. Toisaalta ojituksen yhteydessä kaivettiin myös liejukkoa, joka nosti typpipitoisuutta aiemmasta tasosta. (Häikiö 1998, 45) Luomannevanojan laskeutusaltaasta puolestaan vapautui koko ajan kokonaistyppeä, oletettavasti kaivujen johdosta (Häikiö & Laitinen 1996, 31). Myös kokonaisfosforimäärä lisääntyi Tuijanpurossa kaivun johdosta, vaikkei niin radikaalisti kuin kiintoainepitoisuudet. Kuitenkin toisen tarkkailujakson jälkeen fosforia poistui noin 6 %. Fosforia poistui eri virtaamilla lähes samalla tavalla kuin kiintoainetta, paitsi fosforia pidättyi myös suurilla virtaamilla. (Häikiö 1998, 51-53) Luomannevanojalla puolestaan kokonaisfosforia poistui suurilla virtaamilla, mutta pääsääntöisesti fosfori pidättyi laskeutusaltaaseen. (Häikiö & Laitinen 1996, 31) 2.3.2 Putkipadot Marttilan ja Klöven (2009) artikkelissa tutkittiin putkipadon vaikutusta Luisansuon turvetuotantoalueelle, jossa turpeennosto on aloitettu vuonna 1998. Tutkimuksessa todettiin, että Luisansuolla putkipato vähensi kiintoaineiden ja ravinteiden määrää samalla kun eroosio sekä virtausnopeus vähenivät uomassa ja viipymäaika kasvoi (taulukko 1). Toisessa tutkimuksessa (Marttila & Klöve, 2010) putkipato sijoitettiin Keski-Suomessa sijaitsevalle Virkorinteen

21 turvemaalle, joka on metsätalous käytössä. Putkipadon vaikutuksia seurattiin kolmen vuoden ajan. Pohjaveden pinnankorkeuksiin putkipadolla ei ollut vaikutusta ja metsän kuivatus pysyi samana, virtaamahuiput pienenivät, jolloin kiintoaineiden ja ravinteiden määrät pienentyivät (taulukko 1). Marttila ja Klöve toteavat tutkimuksissaan, että putkipato on hyvä keino parantaa veden laatua ja vähentää tulvariskiä sekä turvetuotantoalueella että turvemaalla. Taulukko 1 Luisansuon putkipadon poistumat sekä tunnusluvut Kiintoaine (%) Fosfori (%) Typpi (%) Ylivaluma (%) Tulvan viipymä (h) Viipymäaika (päivä) Luisansuo 61 47 45 27-87 6-12 2-3 Virkorinne 86 67 65 29-91 2.3.3 Pintavalutuskenttä Ihmeen tutkimuksessa (1991) tutkittiin turvetuotantoalueiden vesien puhdistamista pintavalutuskentillä. Tutkimuskohteina oli kolme aluetta, joista yksi oli tuotantovaiheessa ja kaksi kunnostusvaiheessa. Kompsansuo ja Murtosuo olivat kunnostusvaiheessa olevia soita. Osa vesistä johdettiin suon pohjoisosassa olevan laskeutusaltaan ja pintavalutuskentän kautta ja osa eteläosassa olevan pintavalutuskentän kautta. Murtosuon tuotantoalueesta puolet oli metsäojitettu 1974-1994 vuosien aikana, sieltä johdettiin vedet laskeutusaltaan ja pintavalutuskentän kautta. Laakasuo oli tuotantoalueena, jonka kaikki vedet johdettiin laskeutusaltaan ja pintavalutuskentän kautta (taulukko 2). (Ihme ym. 1991, 12-17) Taulukko 2 Pintavalutuskenttien ominaisuudet (Ihme 1991, 16) Kentän Pintaala (ha) alue (%) Kenttä/valuma- Pintavalutuskenttä kaltevuus ( ) Turpeen paksuus Kompsasuo pohj. 2,4 4,8 8,0 1,9-3,1 Kompsasuo et. 1,9 1,5 8,0 >3,0 Murtosuo 0,8 3,2 7,0 0,6-2,0 Laakasuo 2,4 4,5 (5,7*) 20,0 0,1-0,2 Turvetuotantoalueen vesiä on aiemmin puhdistettu laskeutusaltaalla, joten Ihme (1991) vertasikin pintavalutuskentän ja laskeutusaltaan puhdistustehoa (taulukko 3). Kompsasuon eteläosassa pintavalutuskentällä kiintoainetta pidättyi

22 selkeästi paremmin kuin laskeutusaltaalla, eikä pintavalutuskentältä huuhtoutunut kiintoainetta, toisinkuin laskeutusaltaasta. Myös pohjoisosassa pintavalutuskentällä kiintoainetta saatiin poistumaan paremmin kuin laskeutusaltaalla. Pintavalutuskentällä poistuma oli parempi, koska kiintoainetta suotautui kentän turvekerrokseen ja kasvillisuuteen. (Ihme ym. 1991, 141) Myös orgaanisen aineen poistuma oli pintavalutuskentillä suurempi kuin laskeutusaltaassa. Tämä johtuu siitä, että pintavalutuskentälle saadaan hidas virtausnopeus, jonka avulla fysikaaliskemialliset ja biologiset prosessit tehostuvat. (Ihme ym. 1991, 141) Kokonaistyppeä ja -fosforia saatiin myös pidättymään pintavalutuskentältä paremmin kuin laskeutusaltailla. Yksi syy pintavalutuskentän poistotehokkuuteen on kiintoaineen pidätys, jolloin myös kokonaistyppeä ja -fosforia pidättyy. Tutkimukset osoittivat, että laskeutusaltaan ja pintavalutuskentän yhdistelmällä saadaan parhaimmat tulokset ja laskeutusaltaan lisäämisellä voidaan pidentää pintavalutuskentän ikää. (Ihme ym. 1991, 142-143) Taulukko 3 Pintavalutuskentän ja laskeutusaltaan poistumat (Ihme ym. 1991 141-143) Poistuma (%) Kiintoaine Orgaaninenaintyppfosfori Kokonais- Kokonais- Kompsasuo pohj. 5-74 15-30 38-74 36-68 laskeutusallas -34-36 -66-5 -35-11 -6-16 Kompsasuo et. 8-18 Laakasuon laskeutumisallas -15-51 3-6 -10-25 -10-8 2.3.4 Kosteikot VESIKOT -projekti tutki kosteikkoprosessin tehokkuutta kolmessa eri kosteikossa, josta yksi oli uusi ja kaksi aiemmin toteutunutta kosteikkoa. Jokaisen kosteikon valuma-alue koostui pääasiassa pellosta. Uusi kosteikko sijaitsi Vihdissä ns. Hovin pienellä valuma-alueella, ja kaksi vanhaa olivat Alastarossa ja Inkoo-Siuntiossa (Flytträsk). Uuden kosteikon eli Hovin kosteikon pinta-ala (12 ha) oli 5 % valuma-alueen pinta-alasta, vuorokauden maksimivalunnan keskiarvoksi mitattiin 463 l/s*km 2. Kosteikko rakennettiin

23 touko-kesäkuussa vuonna 1998 ja tutkimukset toteutettiin vuosina 1999 ja 2000. Alastaron kosteikko toteutettiin ympäristötuen erityistuella vuonna 1996 ja sen pinta-alan osuus oli vain 0,53 % valuma-alueen pinta-alasta (90 ha). Flytträskin kosteikon alue oli vanhaa järven pohjaa, joka oli muodostunut 1988, kun järvi kuivatettiin, kosteikon pinta-alan osuus oli 3 % valuma-alueesta, jonka koko oli 2000 ha. (Puustinen ym. 2001, 18-19) Tutkimusaikana Hovin suurin vuorokauden keskivalunta väheni 55 %, joten voidaan sanoa, että kosteikko tasasi tulvahuippuja. Hovin kosteikko oli tarpeeksi suuri, jotta viipymä siellä saatiin tarpeeksi suureksi. Alastarossa ensimmäisenä tutkimusvuotena kesän valunnan osuus kokonaisvalunnasta oli 19 %, kun jo toisena tutkimusvuonna se oli 0,5 %. Talvivalunnan osuus Alastarossa ensimmäisenä tutkimusvuonna 0,6 % ja toisena 13 %, kun taas Flytträskin vastaavat lukemat olivat 11 % ja 62 %. (Puustinen ym. 2001, 27-35) Koko tutkimusjaksolla Hovin kosteikolla kiintoainepitoisuus pieneni lähes 70 %, kun taas Alastarossa kiintoaineesta pidättyi 22 % ja Flytträskiin vain 12 % (kuva 4). Lukuja ei kuitenkaan voida suoraan verrata toisiinsa, sillä kosteikkoihin laskevien vesien kiintoainepitoisuudet vaihtelivat ja valuma-alueiden maaperä on erilaista. Alastarossa ja Flytträskissä lokakuussa ulosmenevä kiintoainepitoisuus oli suurempi kuin sinne tuleva, kun taas kesällä samansuuruisella tulvahuipulla kiintoainetta selkeästi pidättyi kosteikkoon. On mahdollista, että kesällä kosteikossa oleva kasvillisuus estää kiintoaineen uudelleen liikkeenlähdön. (Puustinen ym. 2001, 27-35) Fosforia pidättyi Hovin kosteikolla yhtä paljon kuin kiintoainettakin. Alastaron kosteikolla vain 8 % ja Flytträskissä 14 %. Liuennutta fosforia poistui kosteikosta enemmän kuin tuli kosteikkoon niin Alastarossa kuin Flytträskissä, mutta kokonaisuutena vain Alastarossa poistuma jäi negatiivisen puolelle. (Puustinen ym. 2001, 36-39) Kokonaistyppeä pidättyi Hovin kosteikossa yli 40 %, kun taas Alastaron kosteikkoon sitä pidättyi vain ajoittain ja koko tutkimusjaksolla kosteikolta lähti enemmän kokonaistyppeä kuin siihen pidättyi. Tutkimusjakson aikana ammoniumtyppeä pidättyi Hovin kosteikolta noin 25 %, Alastaron kosteikolta

24 puolestaan lähti enemmän nitraattityppeä sekä ammoniumtyppeä pois, kuin sitä pidättyi. Flytträskissä puolestaan on oletettavasti ollut hyvät olosuhteet denitrifikaatiolle, koska kosteikko on vanha ja sen pohjalle on kerääntynyt orgaanista ainetta, joka selittää nitraattitypen pidättymisen. Ammoniumtypen hyvän pidättymisen puolestaan selittää biologinen typen kulutus sekä nitrifikaatioprosessi. (Puustinen ym. 2001, 39-43) Kuva 4 Vuotuiset poistumat eri kosteikoilla (Puustinen ym. 2001, 34). Kosteikon tärkeimpiä ominaisuuksia on veden viipymäaika, jonka saa aikaan pääasiassa kosteikon koko. Tämän takia Hovin kosteikossa oli muita suuremmat ainepoistumat ja parempi virtaamahuipun tasaantuminen. Harvoin kuitenkin voidaan toteuttaa tarpeeksi suurta kosteikkoa (5 % valuma-alueen pinta-alasta). Kosteikon viipymää ja tehokkuutta voidaan parantaa esimerkiksi muotoilemalla kosteikko kannaksien ja saarekkeiden avulla, niin että kiintoaineen uudelleenliikkeenlähtö pienenee. (Puustinen ym. 2001, 49)

25 2.3.5 Tulvavesien pidättäminen Maapadot Heikkilä (2004) tutki opinnäytetyössään Suomijärven pinnan nostoa maapadolla, jolloin yläpuolisen vedenpinnakorkeus nousee ja maa-alue muuttuu pysyvästi vesialueeksi. Työssä selvitettiin maapadon vaikutusta järven hydrologiaan. Matala Suomijärvi on umpeenkasvanut järvi, jossa keskiylivirtaama (MHQ) oli noin 5,8 m 3 /s. Padon jälkeen keskivesipinta nousi 0,24 metriä, jolloin keskiylivirtaama oli 6,2 m 3 /s. Vesiala nousi noin 0,54 % ja rantaviivan pituus kasvoi 1,2 %. (Heikkilä 2004, 8,10,47,48) Turvetuotantoalueen vesittäminen Karjalainen (2008) tutki diplomityössään turvetuotantoalueen vesitystä tulvahuippujen leikkaamiseen. Vainionsuon oli poistumassa oleva turvetuotantoalue, jonka suopohjaa oli tarkoitus käyttää hyväksi tekojärven rakentamiselle, jonne varastoitaisiin tulvavesiä. Alue soveltuu vesittämiseen, mikäli pohjamaa on tiivistä ja vettä läpäisemätöntä maalajia. Pohjaa voi myös tukea esimerkiksi ruokohelpin viljelyllä, sillä se tiivistää maapohjaa ennen vesittämistä. Lisäksi valuma-alueen on oltava tarpeeksi suuri, jotta vettä riittää. Tekojärvien ongelmana voivat olla ravinteet, kiintoaine, vähäinen happipitoisuus ja elohopea. Rakennusteknisiä ongelmia voivat puolestaan olla eroosio, ajankohta, riittämätön maa-aineksen tiivistys, kaasunmuodostus sekä vesipitoisen turpeen jäätymisen aiheuttama noste. Tämän takia turve tulisi poistaa mahdollisimman tarkasti. (Karjalainen 2008, 10,30, 36, 69) Karjalainen (2008, 74, 77-80) kertoo, että Vainionsuon tekojärvellä voitiin tehokkaasti varastoida tulvavesiä. Hyöty riippui suota ympäröivästä alueesta, altaiden pinta-alasta sekä tuotantoalueen tulovirtaamasta. Tätä soveltuvuutta voidaan arvioida alueen topografiaa, hydrologisia ja ilmastollisia olosuhteita, sijaintia, maan kuivattavuutta ja pohjamaan ominaisuuksia tutkimalla. Aluksi Vainionsuolta lähtevät vedet kuormittivat alapuolisia vesistöjä, mutta altaiden veden parantuessa myös vaikutukset pienenivät. Altaalta vedet menivät

Kusiojaan, johon kulkeutuvia kevättulvavesiä altaat pidättivät, mutta suurien jokien tulvavesiin pienet altaat eivät vaikuta. 26 Pengerrys Rantakokko 2002 tutki tulvavesien pidättämisen vaikutusta Kivijoen virtaamahuippuihin. Kivijoelle pengerrettiin pidätysalue patolinjalla. Pidätyskohdan valuma-alue on noin 500 km 2. Vuosina 1993 ja 2000 oli samansuuruiset, mutta erityyppiset kevättulvat. Varastotilan täyttö aloitettiin, kun virtaaman Kivijoen suulla oli noussut 40 m 3 /s. Vuonna 1993 suurimmalla varastotilavuudella virtaamaa pystyttiin leikkaamaan 3 vuorokautta ja virtaamaa 35 % - 57 %. Vuonna 2000 tulvahuippu leikkaantui kokonaan ja virtaama voitiin pitää halutulla tasolla koko ajan. (Rantakokko 2002, 55-63) 2.4 Eri toimenpiteiden vaikutusten vertailu Taulukossa 4 on eri pidätysmenetelmien mitoitustietoja sekä niillä saatuja tuloksia (Taponen 1995, Ihme ym. 1991, Puustinen ym. 2001, Joensuu 1999). Pintavalutuskentän ja kosteikon mitoitus riippuu onko kyseessä turvetuotannon, maatalouden vai metsätalouden toimenpide, taulukkoon on yleistetty näiden mitoitustiedot.

27 Taulukko 4 Eri pidätysmenetelmille suositeluja mitoitusarvoja Laskeutusallas (turvetuotanto) Laskeutusallas (metsäojitus) Pintavalutuskenttä Kosteikko Raekoko 0,2-2 (hiekka) Hienojakoinen Karkea- ja hienojakoinen Veden nopeus 1-2 cm/s Viipymä < 1h 3-5 vrk Kaltevuus > 1 % 1-2 % Valuma-alueen koko 30-50 ha 30-40 ha < 50 ha Koko 3-8 m 2 /va-ha 2-5 m 2 / va-ha > 1 % /va:sta 1-2 % Turvepaksuus 0,5 m Lietetilavuus 4 m 3 2-5 m 3 / va-ha Mitoitusvaluma MHq 300 l/s*km2 MHq Ravinteiden poisto Kiintoaineen poisto 0-80 % 10-100 % 30-50 % 70-90% 20-70 % Vedenpidätyksellä on sekä hyötyjä että haittoja. Haitoista merkittävin on maaperän vettyminen. Liiallinen vedenpinnannostaminen saattaa tukahduttaa ja tappaa vesikasvustot, minkä seurauksena mätänevä kasviaines voi kuluttaa altaan happivarat. (Rantakokko 2002, 79) Toisaalta esimerkiksi laskeutusaltaiden kaivaminen tai uoman perkaukset voivat laukaista voimistuneen kiintoainehuuhtouman vesistöön. Vedenpidätyksellä on tulvahuippuja tasaava vaikutus ja, jos kiintoainetta sekä ravinteita pidättyy, on se hyvä vesiensuojelukeino. Näin ollen vedenlaatu paranee, eroosio ja rehevöityminen vähenevät. Vedenpidätyksellä haetaan usein myös maisemallista hyötyä, sillä tekojärvet ja kosteikot lisäävät luonnon monimuotoisuutta, esimerkiksi pesimispaikkoja linnuille.

28 Vedenpidätysmenetelmien toimivuus kiintoaineiden ja ravinteiden pidättäjänä vaihtelee paljon altaiden koon, alue- ja ympäristötekijöiden sekä sääolosuhteiden vuoksi. Uomien eroosio on ongelmana, jos rakenteet toteutetaan väärin. Jotta saataisiin tilastollisesti merkitseviä tuloksia, kiintoaineiden ja ravinteiden poistumia tulisi seurata useita vuosia. (Nukki & Savola 2000, 44) Eri toimenpiteillä on omat pääkohteet ja ne soveltuvat erilaisiin alueisiin sisältäen hyviä ja huonoja puolia (taulukko 5). Esimerkiksi pintavalutuskentät pidättävät hyvin hienoja maalajeja, kun taas laskeutusaltaat pidättävät vain karkeita maalajeja.

29 Taulukko 5 Vedenpidätystoimenpiteiden vertailu Toimenpide Pääkohde Soveltuvuus Haitalliset vaikutukset Hyvät vaikutukset Muuta Laskeutusaltaat Putkipadot Turvetuotantoalue, metsä - ja maatalousalueet Pintavalutuskentät Kosteikko Maapadot Kiintoaineen pidätys, Ravinteiden pidätys Tulvahuippujen tasaus Mikrobitoiminta Turvetuotantoalueen vesittäminen Metsä- ja maatalousalueet Metsä- ja maatalousalueet Monet maankäyttömuodot Keskikarkeat ja karkeat maalajit Karkeat ja hienot maalajit Hieno maalaji Karkeat ja hienot maalajit Kaivamalla tehdyn altaan kiintoaineen määrän nousu Mitoituksesa huomioitava, että metsän kasvu turvautuu Pintaturpeen korkea maatuneisuusa ste heikentää toimivuutta Kiintoaineen uudelleen liikkeellelähtö Tekojärven rakentaminen Tulvahuiput Happitilanne heikentyy Ravinteiden ja kiintoaineiden määrän kasvu Vähäinen happipitoisuus järvessä Eroosio Kiintoaineen pidätys Veden pidätys, viipymäajan kasvu, kiintoaineen pidätys Kiintoaineen pidätys, ravinteiden pidätys Veden pidätys Järven tila paranee Tulvavesien varastointi pienissä joissa ja ojissa Toimivat huonosti savimaalla Kentälle ei saa muodostua oikovirtauksia Ylivirtaama kasvaa, alivirtaama ei muutu Turvetuotantoalue Valumaalueen riittävä koko Rakennustekniset ongelmat Yhden turvetuotantoalueen vesittämisellä vaikutusalue on pieni

30 3 Tutkimusmenetelmät 3.1 Virtaaman mittaus Leukunjoen valuma-alueella on kolme reaaliaikaista vedenkorkeuden seurantapistettä: yksi Tenholassa, yksi Pitkäkoskessa ja yksi Leukunlahdella (kuva 5). K-S ELY-keskus on seurannut vedenkorkeuksia vuoden 2007 marraskuusta lähtien. Pitkäkoskeen laskee Tenholan ja muiden vedet ja Leukunlahti kuvaa koko valuma-aluetta. Tenhola on alueista pienin. Mittauspaikoille laadittiin purkautumiskäyrät virtaaman laskemiseen. (Kemppi 2009) Kuva 5 Leukunjoen valuma-alueen virtaaman mittauspisteet (Kemppi 2009) Purkautumiskäyrä on yleinen tapa mitata vesistöjen virtaamia. Se perustuu vedenpinnankorkeuden ja virtaaman väliseen riippuvuuteen avouomassa. Kiitovirtauksen synnyttyä tiettyyn uoman kohtaan, avouomavirtauksen virtaama määräytyy suoraan uoman vedenkorkeuden perusteella. Purkautumiskäyrä määritetään siten, että sopivassa kohteessa tehdään eri pinnankorkeuden aikana useita suoria virtaaman mittauksia. Saatujen arvojen perusteella sovitetaan käyrä. Virtaama lasketaan purkautumiskäyrän mukaan.

31 (Hyvärinen & Puupponen 1986, 175-176) Purkautumiskäyrien perusteella laskettiin kullekin vedenkorkeudelle vastaava virtaama sekä virtaamasta valunta kaavan (1) mukaisesti., ( 1 ) missä q on valunta (l/s*km 2 ) Q on virtaama (m 3 /s) A on valuma-alueen pinta-ala (km 2 ). Vedenpinnankorkeusmittaustuloksia Leukunjoella on vain muutaman vuoden ajalta, joten jotta saadaan tietää, ovatko virtaamat oikeaa suuruusluokkaa, niin niitä pitää verrata vastaaviin virtaamiin. Tämän takia otettiin käyttöön Suomen ympäristökeskuksen (SYKE) vesistömalli, jonka avulla pystyttiin vertaamaan mittaustuloksia mallin antamiin tuloksiin. Vesistömallilla kuvataan tarkastelualueen hydrologista kiertoa. SYKE on tehnyt Kivijärveen vesistömallin, josta pystyi erottamaan Leukunlahden omaksi osaksi. Siinä arvioitiin Leukunlahteen tulevaa virtaamaa aikavälillä 1990-2011. (Huttunen 2011) Mallit käyttävät lähtötietona lämpötilaa, sadantaa ja haihduntaa sekä vedenkorkeutta ja virtaamaa ja ne ennustavat aluelämpötilan ja -sadannan, lumen alueellisen vesiarvon ja arvion maanpinta- ja järvihaihdunnalle. (Suomen ympäristökeskus 2011) Virtaamaa ja valuntaa tutkiessa pitää tietää myös sadanta. Sadanta-aineisto (Ilmatieteenlaitos 2012) tähän työhön on Viitasaarelta (Kolima, Kärnä), jonka etäisyys valuma-alueelle on linnuntietä noin 50 kilometriä. 3.2 Hydrologiset tunnusluvut Hydrologisia havaintoja käsitellään tilastollisin menetelmin. Yleensä tarkastellaan tietyn osajoukon, esimerkiksi valunnan, säännönmukaisuuksia, jotka jäävät suuren havaintomäärän alle. Käsittelyn suurin etu on havaintosarjan tiivistyminen havainnollisempaan muotoon sekä säännönmukaisuuksien paljastuminen. Tuloksena saadaan todellisuutta kuvaava malli, jonka perusteella voidaan aloittaa ongelman ratkaisu. Malli voi olla yleispätevä tai se

32 toimii vain alueella, josta havaintoaineisto on peräisin. Satunnaisilmiöitä koskevat lait pätevät yleensä hydrologiaa tarkastellessa, sillä hydrologisissa ilmiöissä vaikuttavat niin monet tekijät ja lopputulos sisältää aina satunnaiskomponentin. (Kuusisto & Laasanen 1986, 291; Kuusisto & Mälkki 1982, 65) Virtaamista määritettiin hydrologisia tunnuslukuja, mitkä auttavat aineiston analysoinnissa. Hydrologiassa tärkeimmät tunnusluvut ovat pinnankorkeuteen ja virtaamiin liittyviä lukuja. Alivesi (NW), joka tarkoittaa havaintojaksolla mitattua pienintä vedenpinnankorkeutta, keskivesi (MW), havaintojakson keskimääräinen pinnankorkeus, ylivesi (HW), havaintojakson ylin pinnankorkeus sekä keskialivesi (MNW), havaintojakson vuosien pienimpien vedenpinnankorkeuksien keskiarvo ja keskiylivesi (MHW), havaintojakson vuosien ylimpien vedenpinnankorkeuksien keskiarvo. Vastaavasti virtaamille (Q) sekä valumille (q) on samanlaiset tunnusluvut, NQ, MQ, HQ, MNQ sekä MHQ. (Mustamo 2001, 16) Tunnusluvut voidaan laskea havaintojakson pituudesta ja käyttötarkoituksesta riippuen kuukausille tai vuosille. Toisinaan on tarpeen laskea päivittäiset keskiarvot, jotta saadaan muun muassa vuorokausivirtaamien mediaani. (Kuusisto & Mälkki 1982, 65-67) 3.3 Todennäköisyysjakaumat Kun havaintoaineistosta tehdään malli, esimerkiksi purkautumiskäyrä, pitää sen oikeellisuus todeta. Se voidaan tehdä esimerkiksi hyvyyslukua (R 2 ) tarkastelemalla. Hyvyysluku voi olla välillä - +1, mitä lähempänä luku on yhtä, sen paremmin malli kuvaa aineistoa. (Kuusisto & Mälkki 1982, 72) Vesirakenteiden suunnittelussa pitää ottaa huomioon tietyn väliajoin toistuvat tulvatilanteet, tätä varten aineistolle tehtiin toistuvuusanalyysi. Sen lähtökohtana on vuosittaisten ylivirtaamien aikasarja. Ylivirtaamat asetetaan suurusjärjestykseen ja niille vastaavat x-akselin arvot eli toistuvuusajat ovat logaritmisesti kaavan (2) mukaan. (Kuusisto & Mälkki 1982, 69-70)