Arvio sulfaattikuormituksen kasvamisen vaikutuksista Sysmäjärven vedenlaatuun 29.8.2016 Anneli Heitto Finnoflag Oy 1. Johdanto Tässä arviossa tarkastellaan tilannetta, jossa Mondo Minerals B.V. Branch Finland Oy:n rikastamon ja talkkitehtaan sulfaattikuormitus kasvaisi nykyisen lupaehdon tasosta 1150 t/v tasolle 1600 t/a. Viimeaikojen sulfaattikuormitus, alle 1000 t/a, ei ole viimeisimmältä 20 vuoden aikajaksolta kerätyn aineiston perusteella juurikaan näkynyt Sysmäjärven tilassa. Tämä koskee erityisesti avovesiaikaa, jolloin tuulet sekoittavat matalaa Sysmäjärveä, eikä sulfaatin aiheuttamaa kerrostuneisuuden vahvistumista pääse tapahtumaan. Kuormituksen vaikutukset painottuvat siten pääasiassa jääpeiteaikaan. Sulfaattikuormituksen kasvamisen ja siitä seuraavien sulfaatin järvipitoisuuksien kasvamisen mahdollisia vaikutuksia voivat olla - Kerrostuneisuuden vahvistuminen sulfaattipitoisen, tiheämmän veden painuessa syvänteen pohjalle ja siitä seuraava happitilanteen heikkeneminen - Fosforin vapautuminen sedimentistä heikentyneen happitilanteen seurauksena, ja siitä seuraava rehevöityminen - Happamuuspiikkien muodostuminen keväällä, jolloin happitilanteen paraneminen hapettoman kauden jälkeen aiheuttaa rautayhdisteiden hapettumista ja sen myötä ph:n laskua. Veden happamuus lisääntyy mm. sedimenttiin saostuneiden rautasulfidien hapettuessa takaisin sulfaatiksi. 2. Sulfaattipitoisuudet vuosina 1969-2016 Sysmäjärveltä on mitattu säännöllisesti sulfaattipitoisuuksia talvesta 1969 asti. Syvänneasemalla 28 pitoisuudet ovat olleet korkeimmillaan aina talviaikaan. Vuosina 1969-2016 korkein sulfaattipitoisuus mitattiin 24.3.1976 (kuva 1). Sen jälkeen pitoisuudet vähitellen laskivat. Outokummun kaivostoiminnan päätyttyä vuonna 1989 aseman 28 sulfaattipitoisuudet ovat 1990- luvun alusta alkaen olleet suunnilleen samaa tasoa vuoteen 2016 asti vaihdellen välillä 43-270 mg/l. Keretinjoen suulla asemalla 30 korkein sulfaattipitoisuus, 1000 mg/l, todettiin 28.8.1984. Korkeita pitoisuuksia mitattiin myös talvina 1986 ja 1989. 1990-luvulta alkaen pitoisuudet ovat olleet alle 200 mg/l (kuva 2). Lahenjoen suualueella asemalla 234 sulfaattipitoisuudet ovat vaihdelleet välillä 16-670 mg/l (kuva 3). 1
Kuva 1. Sulfaattipitoisuudet asemalla 28 päällysvedessä (1m) ja alusvedessä (p-1m) vuosina 1969-2016 Kuva 2. Sulfaattipitoisuudet asemalla 30 vuosina 1969-2016. 2
Kuva 3. Sulfaattipitoisuudet asemalla 234 (vuoteen 1991 asti asemalta 29) vuosina 1969-2016 3. Sulfaattikuormituksen kasvamisen vaikutus sulfaattipitoisuuksiin Sysmäjärvessä Kuormituksen lisäksi sulfaatin järvipitoisuuksiin vaikuttavat merkittävästi hydrologiset olot. Ylivirtaamien aikaan suurikaan kuormitus ei nosta sulfaattipitoisuuksia Sysmäjärvessä kovin korkeiksi, mutta alivirtaamatilanteessa selvästi pienempi kuormitus voi nostaa järvipitoisuutta merkittävästi (Heitto 2016). Kuvassa 4 on esitetty kahden hydrologialtaan erilaisen vuoden sulfaattipitoisuudet asemalla 234 sekä laskennalliset pitoisuudet lupaehdon mukaisella (1150 t/v) sekä 1600 t/v sulfaattikuormituksella. Vuoden 2011 talvella valumat olivat poikkeuksellisen matalat, kun taas talvella 2015 ne olivat keskimääräistä korkeammat. 3
Kuva 4. Veden sulfaattipitoisuudet Sysmäjärven asemalla 234 vuosina 2011 ja 2015. Sininen viiva näyttää mitatut pitoisuudet, punainen viiva laskennallisen pitoisuuden lupaehdon mukaisella kuormituksella (vuosikuorma 1150 t/v) ja vihreä viiva laskennallisen pitoisuuden vuosikuormalla 1600 t/v. Laskennalliset kuormitukset on laskettu vuosikuormien prosenttiosuuksilla mittausvuosien vuosikuormasta. Vuosina 2011 ja 2015 sulfaatin vuosikuorma oli hieman yli 900 t/v. 4. Sulfaattipitoisuuksien vaikutus kerrostuneisuuden vahvistumiseen Sysmäjärvessä Sysmäjärvi on matala ja avovesiaikaan tuulet sekoittavat sen vesimassan herkästi. Näin ollen sulfaattipitoisuuksien kasvaminen tasolle 900 mg/l, jollaisia on järvessä mitattu muutamia kertoja 1970- ja 1980-luvuilla, ei todennäköisesti tulisi merkittävästi muuttamaan errostuneisuustilannetta kesällä eikä heikentämään happitilannetta. Paljon tätä korkeampien pitoisuuksien vaikutuksesta kesäkerrostuneisuuteen ei Sysmäjärvessä ole aiempaa mittaustietoa. On mahdollista, että kesäkerrostuneisuus vahvistuisi ja heikkohappiset kaudet kesällä pitenisivät. Kerrostuneisuudesta ei kuitenkaan Sysmäjärven mataluuden vuoksi tulisi pysyvää, vaan syystäyskierto sekoittaisi vesimassan. Jääpeiteaikana syvännealue kerrostuu voimakkaasti, ja sulfaattipitoisen veden kertyminen alusveteen vahvistaa kerrostuneisuutta. Jäiden lähdettyä matala Sysmäjärvi on kuitenkin kiertänyt pohjia myöten myös 1970-luvulla (kuva 5), jolloin sulfaattipitoisuudet olivat suurimmillaan 1000 mg/l. Todennäköisesti pysyvän kerrostuneisuuden syntymiseen ei Sysmäjärvellä näin ollen olisi edellytyksiä, vaikka sulfaattipitoisuus ajoittain nousisi pitoisuuteen 900 mg/l. 4
Kuva 5. Happipitoisuudet asemalla 28 alusvedessä (p-1m) vuosina 1968-2016 5. Kokonaisfosforin pitoisuudet vuosina 1969 2016 Happitilanne heikkenee Sysmäjärven syvännealueella säännönmukaisesti varsinkin kevättalvella. Sedimentistä ei kuitenkaan heikosta happitilanteesta huolimatta useinkaan ole purkautunut fosforia. Kokonaisfosforin pitoisuudet ovat vaihdelleet hyvin laajasti viimeisen 45 vuoden aikana, asemalla 28 päällysvedessä välillä 7-170 µg/l ja alusvedessä välillä 6-100 µg/l (kuva 6). Kuva 6. Kokonaisfosforin pitoisuudet asemalla 28 päällysvedessä (1m) ja alusvedessä (p-1m) vuosina 1968-2016 5
Ajoittain, kuten talvina 1985, 1991, 1996, 1998 ja 1999, alusveden kokonaisfosforipitoisuudet ovat olleet kohonneet tilanteessa, jolloin happipitoisuus on ollut lähellä 0 mg/l ilmentäen sisäistä kuormitusta. Toisaalta alusvedestä on monesti talvella mitattu alle 15 µg/l fosforipitoisuuksia tilanteessa, joissa happipitoisuus on ollut alle 1 mg/l. Veden korkea rautapitoisuus ja humusaineet ilmeisesti vaikuttavat fosforin pysymiseen sedimentissä (Niinioja ym. 2003). Lisäksi happamuuspiikkien aikana lopputalvina 2015 ja 2016 alusveden fosforipitoisuus on laskenut alle 10 µg/l. Talvikauden alusveden happipitoisuuksien ja kokonaisfosforipitoisuuksien välillä ei siten ole suoraa riippuvuutta (kuva 7). Kuva 7. Kokonaisfosforin ja hapen pitoisuudet aseman 28 alusvedessä talvisin vuosina 1969-2015 Kesätilanteessa happitilanne on yleensä ollut hyvä eivätkä kohonneet fosforipitoisuudet ole liittyneet heikentyneeseen happitilanteeseen. 1970- ja 1980-luvuilla, jolloin sulfaattipitoisuudet olivat usein korkeita, kokonaisfosforipitoisuudet vaihtelivat paljon ja olivat päällysvedessä ajoittain nykyistä korkeampia. 1990-luvulta alkaen sekä sulfaattipitoisuudet että kokonaisfosforipitoisuudet ovat olleet matalammat, ja asemalla 28 fosforipitoisuuksien vaihteluväli on pienentynyt suunnilleen välille 20-40 µg/l. Sulfaattipitoisuuksien pienenemiseen vaikutti silloisen kaivostoiminnan päättyminen ja fosforipitoisuuksiin Outokummun kaupungin uuden jätevedenpuhdistamon valmistuminen vuonna 1991. Sysmäjärven fosforipitoisuuksiin näyttääkin suurelta osin vaikuttavan ulkoinen fosforikuormitus. Sulfaattipitoisuuksien kasvaminen ajoittain tasolle 900 mg/l ei siten luultavasti merkittävästi lisäisi fosforin vapautumista sedimentistä eikä myöskään edistäisi rehevöitymiskehitystä. Mikäli sulfaattipitoisuudet kuitenkin kasvaisivat kesätilanteessa huomattavasti tätä korkeammiksi, kesäkerrostuneisuuden vahvistuminen ja heikkohappisten kausien pidentyminen saattaisivat johtaa myös fosforin sisäisen kuormituksen kasvamiseen. 6
6. ph vuosina 1969-2016 Kevättalvella 2015 todettiin Sysmäjärven syvännealueella asemalla 28 happamoitumispiikki, jossa alusveden ph laski arvoon ph 3,9 (Heitto 2016). Ilmiö on kuvattu mm. kaivostoiminnan kuormittamalla Pyhäjärven Junttiselällä (Heikkinen ym. 2007). Vastaava tilanne toistui Sysmäjärvellä kevättalvella 2016, kun ph laski maaliskuun loppupuolella aseman 28 alusvedessä arvoon ph 3,8. Kaivostoiminnan kuormittamissa vesistöissä, joissa raudan ja sulfaatin pitoisuudet ovat korkeita, rikkiä sitoutuu hapettomissa oloissa sedimenttiin sulfideina. Kun happitilanne paranee, sulfidit alkavat hapettua, jolloin muodostuu rikkihappoa, joka laskee veden ph-arvoa. Vaikka talvien 2015 ja 2016 näytekerroilla Sysmäjärven happitilanne oli alimmassa näytesyvyydessä kohtalainen, ilmeisesti sedimentin ja veden rajapinnalla happi on kuitenkin ollut lopussa. Aikaisten sulamisvesien tai hapetuksen seurauksena syvänteeseen on valunut hapekkaampaa vettä, jolloin hapettoman ja hapellisemman veden rajapinnassa on tapahtunut rikkihapon muodostusta ja ph:n laskeminen. Sysmäjärven asemalla 30 ph-arvot ovat vuodesta 1969 pääsääntöisesti pysytelleet lähellä arvoa ph 6. Aseman 28 alusvedessä ph arvot sen sijaan olivat 1960-luvun lopussa ja 1970-luvun alussa matalat (kuva 8). Sen jälkeen ph on näytekerroilla pysytellyt yleensä arvon ph 6 yläpuolella, kunnes se yllättäen vuosina 2015 ja 2016 laski alle arvon ph 4. Samaan aikaan mm. kokonaisfosforin pitoisuudet ja veden väriarvo putosivat jyrkästi. Sulfaattipitoisuudet talvina 2015 ja 2016 olivat asemalla 28 aiempien vuosien tasolla. Maaliskuussa 1976, jolloin sulfaattipitoisuus oli 45 vuoden tarkastelujakson korkein sekä päällysvedessä (820 mg/l) että alusvedessä (980 mg/l, näytesyvyys 6m), tilanne oli ilmeisesti samankaltainen. Samalta päivältä ei ole happi-, ph- tai fosforituloksia, mutta viikkoa aiemmin 4m näytesyvyydellä happea oli 1,1 mg/l ja kokonaisfosforipitoisuus 28 µg/l. ph-arvo oli matala, ph 5. Kuukautta myöhemmin 21.4. happi oli alusvedestä (näytesyvyys 5m) kokonaan lopussa. Kokonaisfosforipitoisuus oli kuitenkin maaliskuusta pudonnut arvoon 11 µg/l. Samaan aikaan pharvo oli edelleen matala, ph 5,4. Sulfaattia ei huhtikuussa mitattu. Päällysvedessä sulamisvedet olivat tuolloin jo nostaneet happipitoisuutta ja kokonaisravinteiden pitoisuudet 1m näytesyvyydellä olivat korkeat, 62 µg/l fosforia ja 2200 µg/l typpeä, ja ph arvo oli ph 6,1. 1980-luvulla korkeiden sulfaattipitoisuuksien (450-500 mg/l) aikana happamuuspiikkejä ei asemalla 28 ole näytekerroilla havaittu. 7
Kuva 8. ph-arvot asemalla 28 päällysvedessä (1m) ja alusvedessä (p-1m) vuosina 1968-2016 Näyttää siltä, että jo nykyisillä rauta- ja sulfaattipitoisuuksilla Sysmäjärvessä muodostuu happamuuspiikkejä happitilanteen parantuessa talven jälkeen. On mahdollista, että talvina, jolloin happitäydennys tulee äkkiä jäiden lähdettyä ja kevättäyskierroin sekoittaessa veden, piikki häviää nopeasti eikä ole näkynyt näytteenotoissa. Talvet 2015 ja 2016 olivat sikäli poikkeuksellisia, että jo keskitalvelle ajoittui hyvin leutoja jaksoja, jolloin virtaamat kasvoivat ja hapellisia sulamisvesiä on valunut jääkannen alle. Hapetus lienee tehostanut näiden sulamisvesien joutumista syvänteen alusveteen. Happamuuspiikkien muodostumiseen ja niiden havaitsemiseen vaikuttavat siten merkittävästi hydrologiset olot. Toistaiseksi näyttää siltä, että happamuuspiikit rajoittuvat talveen ja pienelle syvännealueelle, eikä koko järven ph ole laskenut hälyttävän alas. Viitteitä vastaavan kaltaisen tilanteen muodostumisesta myös kesäaikana on kuitenkin nähtävissä asemalla 30 elokuussa 1984. Sulfaattipitoisuus oli tuolloin korkea (1000 mg/l) ja ph-arvo 5,6. Muutamaa päivää aiemmin oli mitattu ph-arvo ph 4,9, mutta sulfaattipitoisuutta ei tuolloin mitattu. Happitilanne oli havaintokerroilla hyvä, mutta on mahdollista, että vesimassa on aiemmin kesällä ollut kerrostunut ja vähähappinen, ja happitilanteen parannuttua vesimassan alettua kiertää on syntynyt samankaltainen happamoitumispiikki, joka on kuvattu talvitilanteessa. 8
7. Yhteenveto ja johtopäätökset Kuormituksen kasvu tasolle 1600 t/v voisi pahimmassa tapauksessa alivirtaamakaudella nostaa järvipitoisuudet karkeasti arvioiden tasolle 900 mg/l. Vastaavia pitoisuuksia on järvessä todettu aiemmin 1970 ja 80 luvuilla. 45 vuoden tarkastelujakson vedenlaatutulosten perusteella lyhytaikaiset pitoisuusnousut tasolle 900 mg/l eivät todennäköisesti tulisi merkittävästi lisäämään fosforin vapautumista sedimentistä, koska Sysmäjärven korkeat rautapitoisuudet ja runsas humuksen määrä parantavat fosforin sitoutumista sedimenttiin. Sulfaattikuormituksen kasvaminen tasolle 1600 t/v ei siten luultavasti kiihdyttäisi Sysmäjärven rehevöitymistä merkittävästi. Sulfaattipitoisuuksien kasvaminen ajoittain tasolle 900 mg/l ei myöskään sellaisenaan välttämättä aiheuta merkittäviä happamuuspiikkejä. Tähän viittaa se, että 1980-luvulla lähes vastaavalla tasolla olevien sulfaattipitoisuuksien aikana matalia ph-arvoja ei todettu. Kuitenkin talvien 2015 ja 2016 tapaisessa hydrologisessa tilanteessa happamuuspiikit syvännealueen alusvedessä ovat mahdollisia nykyisilläkin, selvästi matalammilla, sulfaattipitoisuuksilla. Syvännealueen pienialaisuudesta johtuen koko järven ph-arvot eivät tähänastisen aineiston perusteella luultavasti kuitenkaan tulisi laskemaan niin alas, että niistä seuraisi mm. kalakuolemia. Kuopiossa 29.8.2016 Anneli Heitto, MMM, limnologi Finnoflag Oy Kirjallisuus Hakalehto, E. (2015). Bacteriological indications of human activities in the ecosystems. In: Armon, R. & Hänninen, O. (eds.) Environmental indicators. Springer Verlag, Germany. Heikkinen, M-L & Väisänen (toim.), T. 2007. Pyhäjärven Junttiselän tila ja kunnostusmahdollisuudet. Pohjanmaan Ympäristökeskuksen julkaisuja 7/2007, 78 s. Heitto, A. 2016. Sulfaattikuormituksen vaikutukset Sysmäjärven vedenlaatuun. Finnoflag Oy. Raportti. Heitto, L., Heitto, A., Torssonen, J. & Hakalehto, E. 2015. Effect of sulphate concentration on phosphate mobilization from lake sediment - an experimental study. Poster Presentation in 21 st International Conference on Environmental Indicators (ICEI 2015). Windsor, Canada. Journal of Environmental Indicators, 9: 39-40. Niinioja, R., Holopainen A-L, Hämäläinen, H., Heitto, L., Hannu Luotonen, H. Mononen, P., & Rämö, A. 2003. State of Lake Sysmäjärvi, Eastern Finland, after loading with mine water and municipal waste water for several decades. Hydrobiologia 506-509:773-780. 9