YLIMÄÄRÄISTEN VESIEN JOHTAMINEN 2013 16X154037.BA7201 11.6.2013 TALVIVAARA SOTKAMO OY Vesistömalliennuste ylimääräisten vesien jatkojuoksutuksen vaikutuksesta purkuvesistöjen sulfaattipitoisuuksiin
1 Sisältö 1 TAUSTATIEDOT JA TOIMEKSIANTO 3 2 JUOKSUTUKSET JA SULFAATTIKUORMITUS 3 2.1 Toteutuneet juoksutukset ja sulfaattikuormitus 3 2.1.1 Oulujoen suunta 3 2.1.2 Vuoksen suunta 7 3 ARVIO SULFAATTIKUORMITUKSEN VAIKUTUKSESTA VESISTÖN SULFAATTIPITOISUUKSIIN 10 3.1 Laskentojen toteutus 10 3.1.1 Käytetty malli 10 3.2 Mallilaskelmien tulokset 10 3.2.1 Laskenta Oulujoen suuntaan 10 3.2.2 Laskenta Vuoksen suuntaan 19 3.2.3 Mallinnuksen epävarmuustekijät 27 4 TIIVISTELMÄ JA JOHTOPÄÄTÖKSET 28 Pöyry Finland Oy Kari Kainua, FM Heimo Vepsä, FM Jaakko Saukkoriipi, FT Pirkko Virta, FM Yhteystiedot PL 20, Tutkijantie 2 A 90571 Oulu puh. 010 33280 sähköposti etunimi.sukunimi@poyry.com Kaikki oikeudet pidätetään Tätä asiakirjaa tai osaa siitä ei saa kopioida tai jäljentää missään muodossa ilman Pöyry Finland Oy:n antamaa kirjallista lupaa.
Vastuuvapauslauseke 2 Pöyry Finland Oy ( Pöyry ) pidättää kaikki oikeudet tähän raporttiin. Raportti on luottamuksellinen ja laadittu yksinomaan Talvivaara Sotkamo Oy:n ( Asiakas ) käyttöön. Raportin käyttö muiden kuin Asiakaan toimesta ja muuhun kuin Asiakkaan ja Pöyryn välisessä sopimuksessa tarkoitettuun tarkoitukseen on sallittu ainoastaan Pöyryn etukäteen antaman kirjallisen suostumuksen perusteella. Raportti on laadittu noudattaen Pöyryn ja Asiakaan välisen sopimuksen ehtoja. Pöyryn tähän raporttiin liittyvä tai siihen perustuva vastuu määräytyy yksinomaan kyseisten sopimusehtojen mukaisesti. Laskelmat perustuvat olennaisilta osin Pöyryn Asiakkaalta, kolmansilta osapuolilta tai ulkopuolisista lähteistä saamiin tietoihin. Pöyry ei ole tarkistanut minkään Asiakkaalta, kolmansilta osapuolilta tai ulkopuolisista lähteistä saadun ja raportin laatimiseen käytetyn tiedon oikeellisuutta tai täydellisyyttä, koska se ei ole kuulunut Pöyryn toimeksiannon laajuuteen. Pöyry ei anna raportin perusteella tai siihen liittyen mitään vakuutusta (nimenomaista tai konkludenttista) eikä vastaa sen sisältämien tietojen ja arvioiden oikeellisuudesta. Raportti sisältää lisäksi tulevaisuutta koskevia lausuntoja, jotka perustuvat tämänhetkisten tietojen perusteella tehtyihin arvioihin tulevasta kehityksestä ja sisältävät oletuksia tulevasta kehityksestä. Pöyry ei vastaa miltään osin näiden tulevaisuutta koskevien lausuntojen sisällöstä, täsmällisyydestä tai toteutumisesta. Pöyry ei vastaa kolmannelle osapuolelle tämän raportin käyttämisen tai siihen luottamisen perusteella aiheutuneesta haitasta taikka mistään välittömästä tai välillisestä vahingosta.
3 1 TAUSTATIEDOT JA TOIMEKSIANTO Talvivaara Oy:n Sotkamon kaivosalueelle on kertynyt runsaasti ylimääräisiä vesiä. Yhtiö jätti helmikuussa 2013 Kainuun ELY-keskukselle suunnitelman kaivosalueen ylimääräisten vesien käsittelystä ja johtamisesta vesistöön. Tähän suunnitelmaan liittyen Pöyry Finland Oy suoritti vesistömallinnuksen, jonka avulla arvioitiin suunnitelman mukaisten vesien johtamisen vaikutusta alapuolisten vesistöjen keskimääräisiin sulfaattipitoisuuksiin. Ko. suunnitelman mukaan juoksutettava vesimäärä oli 3,8 milj. m 3, joka oli tarkoitus juoksuttaa puoliksi Oulujoen ja Vuoksen vesistöihin helmikuun alusta kolmen kuukauden aikana. Kaivosyhtiö sai juoksutusluvan noin puolelle haetusta vesimäärästä (1,8 milj.m 3 ) ja juoksutusten aloitus viivästyi alkuperäisestä aikataulusta. Oulujoen suuntaan juoksutus aloitettiin viikolla 10 (5.3.2013) ja juoksutuskiintiö täyttyi viikolla 18 (30.4.2013). Tämän lisäksi Oulujoen suuntaan juoksutettiin prosessivesiä. Vuoksen suuntaan juoksutukset aloitettiin hieman myöhemmin viikolla 13 (26.3.2013) ja juoksutuskiintiö täyttyi toukokuun puolen välin tienoilla. Talvivaaran kaivosyhtiö antoi Pöyry Finland Oy:lle toimeksiannon päivittää aiemmin tehtyjä laskelmia muuttuneiden suunnitelmien mukaiseksi ja arvioida uusien juoksutusten vaikutuksia alapuolisten vesien keskimääräisiin sulfaattipitoisuuksiin. 2 JUOKSUTUKSET JA SULFAATTIKUORMITUS 2.1 Toteutuneet juoksutukset ja sulfaattikuormitus 2.1.1 Oulujoen suunta Toteutuneet juoksutukset Alkuvuodesta 2013 (5.3. 30.4.) Oulujoen suuntaan juoksutettiin ylimääräisiä vesiä eteläisen Kuusilammen kautta noin 838 000 m 3. Juoksutusmäärät vaihtelivat välillä 2 257 23490 m 3 /d, keskiarvon ollessa 14 695 m 3 /d (kuva 1). Tämän lisäksi juoksutettiin prosessivesiä (Lone-ylite) vuoden alusta alkaen noin 395 000 m 3 (kuva 1). Eteläisen Kuusilammen vedet virtaavat Härkäpuron ja pohjoisen Kuusilammen kautta Kuusijokeen, josta vedet virtaavat Kalliojokeen Kolmisoppijärven yläpuolelle. Lonevedet johdetaan puolestaan Salmisen yläpuolelle Kärsälampeen (kuva 2). Vesistöön johdettujen käsiteltyjen ylimääräisten vesien sulfaattipitoisuus Kuusilammesta lähtevässä vedessä oli noin 4 800 mg/l pitoisuuden vaihdellessa välillä 460 6 800 mg/l (kuva 3). Ylimääräisten vesien mukana Oulujoen suuntaan kulkeutui sulfaattia yhteensä noin 4 000 tonnia.
4 Kuva 1. Alkuvuoden 2013 päivittäiset ja kumulatiiviset juoksutukset Oulujoen suuntaan.
5 Kuva 2. Oulujoen suunnan mallinnusalue. Kuva 3. Eteläisestä Kuusilammesta lähtevän veden sulfaattipitoisuus. Arvio tulevista juoksutuksista Kaivosyhtiön tekemien suunnitelmien mukaan vesiä johdetaan Oulujoen suuntaan vielä tänä vuonna noin 4,2 milj. m 3. Kuukausittain juoksutukset jakautuvat kuvan 4 mukaisesti. Suurimmat vesimäärät purkautuvat vesistöön kesäkuussa ja syyslokakuussa. Pääosa juoksutuksista muodostuu Kuusilammen kautta juoksutettavista ylimääräisistä vesistä. Vesien sulfaattipitoisuuden keskiarvoksi kaivosyhtiö on arvioinut noin 3 700 mg/l, mikä tarkoittaa noin 15 700 tonnia sulfaattia (kuva 5).
6 Kuva 4. Oulujoen vesistöön touko - joulukuussa 2013 johdettavat kuukausittaiset vesimäärät. Kuva 5. Oulujoen vesistöön touko - joulukuussa 2013 johdettavat kuukausittaiset sulfaattimäärät. Talvivaara Sotkamo Oy:n oman arvion mukaan Lone-vesien juoksutus loppuu vuoden 2013 lopussa, jonka jälkeen loppuneutraloinnin ylitevesiä ei enää juoksuteta vesistöön. Kaivosyhtiön arvion mukaan Oulujoen suuntaan johdetaan vuonna 2014 lähinnä kuivatusvesiä, joiden määrä keskimääräisenä hydrologisena vuonna on noin 3,8 milj. m 3. Kuivatusvesien mukana vesistöön kulkeutuu vuonna 2014 sulfaattia noin 8 400 tonnia. Vesimäärä Pitoisuus Päästöt m 3 mg/l tn/a Kuusilampi 3 336 108 2300 7 673 SEM2 455 000 1500 682 Yhteensä 3 791 108 8 355
7 2.1.2 Vuoksen suunta Toteutuneet juoksutukset Alkuvuodesta 2013 (26.3 alkaen.) Vuoksen suuntaan on juoksutettu ylimääräisiä vesiä Kortelammen kautta kahta käsittelylinjaa pitkin. Toukokuun 12. päivään mennessä juoksutusmäärä oli yhteensä noin 819 000 m 3. Juoksutusten huippuvirtaama oli noin 40 000 m 3 /d, keskiarvon ollessa 17 000 m 3 /d (kuva 6). Juoksutuksille rakennettu uusi uoma ohittaa Ylä-Lumijärven sekä Lumijoen yläosan ja yhtyy Lumijokeen noin 800 m Ylä-Lumijärven alapuolella, josta vedet virtaavat edelleen Lumijokea pitkin Kivijärven kautta Laakajärveen. Lisäksi Torvelansuon kautta juoksutettiin aluekuivatusvesiä 30.4. alkaen 12.5 mennessä noin 35 000 m 3. (kuva 7). Vesistöön johdettujen käsiteltyjen ylimääräisten vesien sulfaattipitoisuus oli linjalla 1 noin 5 500 mg/l pitoisuuden vaihdellessa välillä 2 600 8 900 mg/l (kuva 8). Linjan 2 pitoisuudet olivat alhaisempia 3 900 mg/l (1 900 7 200 mg/l). Ylimääräisten vesien mukana Vuoksen suuntaan kulkeutui sulfaattia yhteensä noin 4 550 tonnia. Kuva 6. Alkuvuoden 2013 päivittäiset ja kumulatiiviset juoksutukset Vuoksen suuntaan.
8 Kuva 7. Vuoksen suunnan mallinnusalue. Kuva 8. Kortesalmen kautta juoksutettavan veden sulfaattipitoisuus. Arvio tulevista juoksutuksista Kaivosyhtiön suunnitelmien mukaan vuonna 2013 vesiä johdetaan Vuoksen suuntaan noin 2,2 milj. m 3. Eniten vettä juoksutetaan heinäkuussa, noin 400 000 m 3 (kuva 9). Pääosin vedet muodostuvat Kortelammen kautta juoksutettavista vesistä. Vesien sulfaattipitoisuudeksi on arvioitu noin 3 000 mg/l, jolloin vesistöön kohdistuva sulfaattikuorma on noin 6 700 tonnia (kuva 10).
9 Kuva 9. Vuoksen vesistöön touko - joulukuussa 2013 johdettavat kuukausittaiset vesimäärät. Kuva 10. Vuoksen vesistöön touko - joulukuussa 2013 johdettavat kuukausittaiset sulfaattimäärät. Talvivaara Sotkamo Oy:n oman arvion mukaan Vuoksen suuntaan kulkeutuu sulfaattia noin 6 600 tonnia vuonna 2014 (arvioitu vesimäärä keskimääräisenä hydrologisena vuotena noin 3,4 milj. m 3 ). Eli likimain sama määrä kuin touko-joulukuussa 2013: Vesimäärä Pitoisuus Päästöt m 3 mg/l tn/a Kortelampi 2 660 439 1500 5 587 Torvelansuo 696 500 1500 1 045 Yhteensä 3 356 939 6 632
3 ARVIO SULFAATTIKUORMITUKSEN VAIKUTUKSESTA VESISTÖN SULFAATTIPITOISUUKSIIN 10 3.1 Laskentojen toteutus 3.1.1 Käytetty malli Virtauksia ja aineiden kulkeutumista alapuolisissa vesistöissä arvioitiin 3Dvesistömallin EFDC (Environmental Fluid Dynamincs Code) avulla. Tarkemmin mallia ja sen ominaisuuksia on esitelty aiemmissa mallinnusraporteissa. 3.2 Mallilaskelmien tulokset 3.2.1 Laskenta Oulujoen suuntaan Lähtöarvot ja mallin testaus Vesistön sulfaattipitoisuus riippuu kuormituksen lisäksi mm. laimentavien sivuvesien määrästä, joka vaikuttaa myös vesistön viipymiin ja aineiden leviämisnopeuteen. Juoksutettavien vesimäärien ja pitoisuuksien vaihtelu heijastuu nopeana pitoisuuksien vaihteluna purkuvesistössä erityisesti purkualueen läheisyydessä. Sulfaatti ja muut poistovesien sisältämät suolat lisäävät veden tiheyttä/painoa merkittävästi, jolloin vedet sekoittuvat vaillinaisesti vesistössä ja kerrostuvat voimakkaasti erityisesti järvialueilla, missä virtausnopeudet ovat pieniä. Vesien konsentroitumien alusveteen vaikuttaa mm. järvestä lähtevän veden pitoisuuksiin, koska usein järven poistuva vesi on pääosin päällysvettä. Tiheyserot luonnonvesien ja poistovesien välillä ovat niin suuret, että laskentamalli ei kuvaa riittävällä tarkkuudella 3D ominaisuudesta huolimatta pitoisuuksien välisiä vertikaalisia eroja, mikä on todettu jo aiemmissakin laskelmissa. Tämän vuoksi laskennan tulokset esitetään aiemman käytännön mukaisesti pinnan ja pohjan keskiarvotuloksina, mikä on huomioitava tuloksia tarkasteltaessa. Alueella ei ole varsinaisesti tehty virtaamamittauksia, mutta vesistömallista saadaan poimittua ns. simuloituja virtaamia purkuvesistön eri pisteistä, joiden laskennassa vesistömalli hyödyntää vesistöalueen muiden mittauspisteiden virtaama- ja vedenkorkeustietoja sekä lämpötila- ja sadantatietoja. Kun kuormitus poistovesien osalta oli suhteellisen hyvin tiedossa, voitiin laskentamallia testata toteutuneiden juoksutusten osalta. Laskennassa vesistön alkuarvoina käytettiin joulukuun lopussa/vuoden alussa vesistössä mitattuja sulfaattitasoja. Virtaamien, tuulten, poistuman yms. syöttötietojen osalta laskenta toteutettiin, kuten aiemmissa raporteissa on esitetty. Laskennan tulostuspisteet on esitetty kuvassa 11.
11 Kuusijoki Kuva 11. Oulujoen suunnan tulostuspisteet ja havaintopaikat. Mallilaskelman tulokset toteutuneiden juoksutusten aikana verrattuna vesistötarkkailutuloksista huhtikuun 2013 loppuun mennessä poimittuihin purkuvesistön sulfaattipitoisuuksiin on esitetty kuvassa 12.
12 Kuva 12. Lasketut ja määritetyt sulfaattipitoisuudet Oulun suunnan purkualueella. Salmisen, Salmisenpuron ja Kalliojärven sulfaattipitoisuuksiin vaikuttaa vain Lonevesien kuormitus sekä kipsisakka-altaan murtuman aiheuttaman päästön jäämät. Kuusijoen vedet purkautuvat Kalliojokeen havaintopaikan yläpuolelle, joten siitä Oulujoen suunnan vesireittiä alaspäin sulfaattipitoisuuksiin vaikuttaa myös ylijäämävesien aiheuttama sulfaattikuormitus. Purkuvesien voimakas kerrostuminen Salmisessa alentaa pintavesien pitoisuuksia, jolloin esimerkiksi Salmisenpuron mitatut pitoisuudet jäävät alle laskettujen pitoisuustasojen mallin laskiessa purkautuvan veden tasalaatuisemmaksi.
Kalliojärvessä sen sijaan mitattiin helmikuussa selvästi laskennallisia pitoisuuksia korkeampia pitoisuuksia ja pitoisuuksissa oli voimakas nouseva suuntaus. Loppuvuodesta patomurtuman jälkeen Lone-vesiä ei johdettu vesistöön, joten havaitut sulfaattipitoisuuden nousut päällysvedessä olivat peräisin kipsisakka-altaan vuotovesistä. Tammikuun lopussa 2013 (29.1) Kalliojärven päällysveden SO 4 -pitoisuus oli 1900 mg/l ja alusveden 4500 mg/l. Talvitilanteessa Kalliojärven laskennallinen viipymä on pitkä ja laskennallisesti alkuvuoden Lone-vedet eivät olisi ehtineet Kalliojärven havaintopaikalle. Lisäksi on huomattava, että Lone-kuormitus on ollut suhteellisen tasaista eli se ei selitä nousevaa pitoisuustrendiä. Kipsisakka-altaan vuotovesien suolaisuus (johtokyky) näyttää myös alentaneen Kalliojärven tiheysgradienttia (kuva 13). Näin purkuvedet eivät pääse Salmisen tavoin kerrostumaan Kalliojärvessä ja pitoisuusnousua havaitaan myös päällysvedessä. Sulfaattipulssi nostaakin näin Kalliojoen helmi-maaliskuun pitoisuuksia laskennallisia pitoisuuksia korkeammiksi. Talvella epätarkkuutta aiheuttaa myös se, että purojen osalta jääkansi pienentää poikkialoja, jolloin viipymät ovat laskettuja pienempiä. Kalliojärvi Sähkönjohtavuus [ms/m] 0,0 200,0 400,0 600,0 800,0 0 13 Syvyys [m] 1 2 3 4 vko 5 vko 8 vko 9 vko 11 vko 13 vko 15 5 6 Kuva 13. Kalliojärven sähkönjohtavuus syvyyden funktiona alkuvuoden 2013 mittauksissa. Sulfaatin poistuminen vedestä on vähäistä, jolloin järviin kertyneet sulfaatit purkautuvat todennäköisesti vesistöön jossain vaiheessa. Mahdollisten virtausolosuhteiden epätarkkuuksien ja uomien poikkipinta-alojen virheellisyyksien lisäksi laskennan tarkkuutta vähentää kevään valumahuipun aikaiset vesien epätasaisesta sekoittumisesta johtuva veden laadun vaihtelu ja näytteenoton epävarmuudet. Mallissa ylimääräiset vedet juoksutetaan suoraan Kalliojokeen, jolloin Kuusijoen valuma-alueella tapahtuva viipymä ei tule laskennassa huomioiduksi.
14 Kolmisopen keskimääräisiä pitoisuuksia malli kuvaa kohtalaisesti, joskin Kolmisopenkin kerrostuminen alentaa lähteviä pitoisuuksia, jolloin Tuhkajoen laskennallinen pitoisuus on hieman mitattuja korkeampi. Jormasjärveen asti ylimääräisten vesien sulfaattikuorma ei ole vielä ehtinyt edetä. Vesistön dynamiikkaa, pitoisuuksien leviämistä ja pitoisuustasoja eri vesistön osissa malli näyttäisi kuvaavan kohtalaisesti sen edellä mainitut rajoitteet huomioiden. Näytteenottojaksolla mitat ja lasketut keskipitoisuudet olivat: Havaintopaikka Mitattu Laskettu mg/l mg/l Salminen 7025 5440 Salmisenpuro 3000 6415 Kalliojärvi 3583 5460 Kalliojoki 856 1183 Kolmisoppi 296 157 Kolmisoppi, lähtevä 123 176 Tuhkajoki 103 138 Jormasjärvi 3 52 67 Arvio pitoisuuksien kehityksestä Kuormitusennusteen perusteella laskettiin sulfaattipitoisuuksien kehittymistä toukokuusta 2013 vuoden 2014 loppuun. Laskentojen mukaan kuvan 11 tulostuspisteissä keskimääräiset sulfaattipitoisuudet kehittyvät kuvassa 14 esitetyn mukaisesti.
15 Kuva 14. Laskennalliset sulfaatin aikasarjat Oulujoen suunnalla ennustetuilla kuormituksilla.
Laskentaennusteen mukaan Salmisen ja Salmisen puron keskipitoisuudet laskevat kesän 2013 aikana tasolle 1 000 1 500 mg/l. On todennäköistä, että Salmisen erittäin vahva kerrostuneisuus säilyy, jolloin alusveden sulfaattipitoisuus sekä uuden kuormituksen että vanhojen kuormitusjäämien johdosta muodostuu laskennallisia paljon korkeammaksi, tasolle useita tuhansia mg/l. Kalliojärven kevään korkeat pitoisuudet laskevat kesän aikana arviolta tasolle 1 500 mg/l. Kalliojärven tiheysgradientin stabiilisuus (kuva 13) on vähäisempi kuin Salmisen, joten sen kerrostuneisuus voi osin purkautua kevään aikana, mutta mittaustietoja kerrostuneisuuden purkautumisesta ei ole vielä käytettävissä. Pitoisuudet ovat kuitenkin vielä niin korkeita, että ensi kesänä Kalliojärvi todennäköisesti kerrostuu vahvasti uudelleen. Vielä kesällä 2014 Kalliojärven laskennalliset sulfaattipitoisuudet ovat tasoa 300 mg/l, vaikka LONEvesien kuormitus on lakannut vuoden 2014 alusta. Kesäkuun ja syyskuun korkeat sulfaattikuormitukset nostavat Kalliojoen pitoisuudet korkeiksi, pitoisuuksien vaihdellessa ensi kesän ja syksyn aikana välillä 500 3000 mg/l virtausoloista riippuen. Laskennan mukaan Kolmisoppijärven pitoisuudet nousevat kesän aikana tasolle 500 600 mg/l. Näin korkeissa pitoisuustasoissa Kolmisoppijärvi tulee mitä todennäköisimmin kerrostumaan osittain, kuten viimeisen mittauskerran havainnoista voidaan nähdä. Kesällä 2014 pitoisuustaso näyttäisi asettuvan tasolle 200 mg/l. Mikäli Kolmisopen kerrostuneisuus ei muodostu kovin vahvaksi, ensi kesän Kolmisopen korkeat pitoisuudet heijastuvat myös Tuhkajoen veden sulfaattipitoisuuksin. Sulfaattipitoisuudet voivat nousta joessa tasolle 500 mg/l, josta ne laskevat kuitenkin tasolle 150 200 mg/l. Jormasjärvessä keskipitoisuudet liikkunevat tasolla 100 mg/l, päällysvedessä mitataan pienempiä arvoja kun taas syvänteiden pohjalla pitoisuudet tulevat olemaan korkeampia. Kuvassa 15 ja 16 on esitetty sulfaatin alueellisia jakaumakuvia kesällä 2013 ja 2014. 16
17 Kuva 15. Keskimääräiset laskennalliset sulfaattipitoisuudet kesällä 2013.
18 Kuva 16. Keskimääräiset laskennalliset sulfaattipitoisuudet kesällä 2014.
19 3.2.2 Laskenta Vuoksen suuntaan Lähtöarvot ja mallin testaus Vuoksen suunnalla laskentamallia testattiin vastaavalla tavalla kuin Oulujoen suunnalla. Allasmurtuman yhteydessä sulfaattipitoisia vesiä virtasi Ylä-Lumijärveen, josta vedet virtaavat Lumijokeen. Tämä huomioitiin laskennan alkutilanteessa antamalla näille vesille vuoden vaihteessa mitattuja pitoisuuksia lähtöarvoiksi. Laskennan tulostuspisteet on esitetty kuvassa 17. Mallilaskelman tulokset Vuoksen suunnan osalta toteutuneiden juoksutusten aikana verrattuna vesistötarkkailutuloksista huhtikuun 2013 loppuun mennessä poimittuihin purkuvesistön sulfaattipitoisuuksiin on esitetty kuvassa 18. Kuva 17. Vuoksen suunnan tulostuspisteet ja havaintopaikat. Kivijärvi 1 = Kivijärvi 7 14.11.2012 lähtien
20 Kuva 18. Lasketut ja mitatut sulfaattipitoisuudet Vuoksen suunnan purkualueella. Lumijoen osalta mallin tulokset kuvaavat vesistön pitoisuuksien vaihtelua, mutta laskennalliset sulfaattipitoisuudet olivat korkeampia kuin mitatut pitoisuudet. Tämä voi johtua vesitaseen epätarkkuudesta eli todelliset virtaamat ovat olleet suurempia kuin mallinnuksessa käytetyt virtaamat. On myös mahdollista, että ylimmällä havaintopaikalla vedet eivät ole vielä täysin sekoittuneet ja näyte edustaa laimeampaa vesijaetta. Kuten Oulujoen suunnalla Salmisessa myös Kivijärvessä tapahtuu hyvin voimakas purkuvesien kerrostuminen. Lumijoesta purkautuvat vedet valuvat järven alusveteen ja puhtaammat sulamisvedet virtaavat tämän kerroksen yli.
Juoksutusten aikana Lumijoesta Kivijärveen purkautuvien vesien sulfaattipitoisuudet olivat korkeita, useita tuhansia mg/l, maksimin ollessa tasoa 6 000 mg/l. Vaikka pitoisuudet olivat korkeita ja virtaamat keväällä suuria Kivijärven, kerrostuneisuus ei ole ainakaan nyt käytettävissä olevien tarkkailutulosten perusteella purkautunut. Mallilaskelmat kuvaavat kohtalaisen hyvin sulfaatin keskimääristä pitoisuutta, mutta näin voimakkaasti kerrostuneessa järvessä niiden informaatioarvo on vähäinen. Kivijärvi on kerrostunut kokonaan sen pohjoista osaa myöten, jonne vedet virtaavat viiveellä päävirtauksen suuntautuessa järven läpi, kuten mallin virtauskentästä voidaan havaita (kuva 19). Mallilaskelmien perusteella noin puolet Kivijärven oman valumaalueen vesistä purkautuu sen pohjoisosaan laskevaa puroa pitkin, mikä näkyy mallissa siten, että kevättulvien aikana havaintopaikka näyttäisi puhdistuvan kokonaan sulfaattipitoisista vesistä. Todellisuudessa osa vesistä valuu järveen lähes koko sen rantaviivan matkalta. Mallin tulostuspiste sijaitsee myös lähellä jokisuuta, mikä korostaa puhtaiden tulvavesien vaikutusta laskennassa. Koko lahden osalta vaikutus on kuitenkin vähäisempi. 21 Kuva 19. Tyypillinen Kivijärven tulva-ajan virtauskenttä (mallin tuloste 20.4.2013). Käytetty laskentamalli laskee päällysveden ja alusveden pitoisuuseroja, mutta ei pysty säilyttämään pitoisuusgradienttia, vaan mallissa vedet sekoittuvat kevätsulamisen myötä, kuten kuvasta 20 voidaan havaita. Kalibroimalla mallia mm. lämpötilan laskennan ja tiheyksien sekä kerrosten lukumäärän osalta mallinnuksen tarkkuutta olisi ollut mahdollista parantaa, mutta käytettävissä olevien resurssien ja aikataulujen puitteissa sitä ei tässä työssä ollut mahdollista toteuttaa. Sulfaattipitoisten vesien varastoituessa Kivijärven alusveteen Kivijoen kautta Laakajärveen purkautuvien vesien laskennalliset pitoisuudet ovat selvästi suurempia kuin havaitut. Ilmiötä osin korostaa vielä se, että Kivijoen näytteenottopiste sijaitsee
aivan rannassa, jolloin sulamisvedet ovat voineet kevään valumahuippujen aikoihin laimentaa näytepaikan vettä. Laskennallisesti pitoisuushuippu ei vielä ole ehtinyt Laakajärven havaintopaikoille. Sulfaattipitoisten vesien tulppautuminen Kivijärveen, jota malli ei huomioi, johtaa kuitenkin siihen, että Laakajärven laskennalliset pitoisuudet tulevat olemaan selvästi korkeampia kuin havaitut pitoisuudet. 22 Kuva 20. Sulfaattipitoisuuden kehitys alus- ja päällysvedessä Kivijärven havaintopaikalla 10. Näytteenottojaksolla mitat ja lasketut keskipitoisuudet olivat: Havaintopaikka Mitattu Laskettu mg/l mg/l Lumijoki 1430 1822 Kivijärvi 1 (7) 3248 2496 Kivijärvi 2 1495 2120 Kivijärvi 10 2427 2382 Kivijoki 4 192 2494 Laakajärvi 11 (13) 126 446 Laakajärvi 4 (081) 48 47 Arvio pitoisuuksien kehityksestä Kuormitusennusteen perusteella laskettiin sulfaattipitoisuuksien kehittymistä toukokuusta 2013 vuoden 2014 loppuun vastaavasti kuin Oulujoen suunnalla. Laskentojen mukaan kuvan 17 tulostuspisteissä keskimääräiset sulfaattipitoisuudet kehittyvät kuvassa 21 esitetyn mukaisesti. Laskentaennusteen mukaan Lumijoen sulfaattipitoisuus vaihtelee kesällä 2013 virtaustilanteesta riippuen 200-1 600 mg/l välillä. Kevättalvella 2014 laskennalliset pitoisuudet tulevat olemaan tasoa 1 400 mg/l, josta ne laskevat kesäksi tasolle 400 mg/l. Mikäli vesimäärä on suurempi kuin mallilaskelmissa, jäävät pitoisuudet alhaisemmiksi.
Kivijärven keskimääräiset pitoisuudet liikkuvat tasolla 500 400 mg/l. Kivijärven kerrostuneisuuden jatkuessa mitataan alusvedessä edelleen erittäin korkeita sulfaattipitoisuuksia, päällysveden pitoisuuden ollessa nykytasoa, noin muutama sata mg/l. Kuten jo Oulujoen suunnan tarkastelussa todettiin, sulfaatin poistuminen vesifaasista on vähäistä. Näin ollen Kivijärven alusvesi täyttyy ja konsentroituu sulfaattipitoisista vesistä. Todennäköistä kuitenkin on, että jossain vaiheessa konsentroituneen alusveden määrä kasvaa matalahkossa Kivijärvessä tilanteeseen, jossa astia ns. täyttyy ja alusveden sulfaattia alkaa purkautua Kivijoen kautta Laakajärveen, lisäten sulfaattikuormitusta Laakajärveen hitaasti viivästyneenä. Toinen vaihtoehto on, että erittäin voimakkaiden virtausten ja myrskyjen aikana Kivijärven tiheysgradientti purkautuu ja alusvesi sekoittuu päällysveteen, jolloin pitoisuuksien nousu voi olla nopeaa ja pitoisuudet korkeita. Luonnollisesti tällainen Kivijärven päästöpulssi heijastuisi Laakajärven pohjoisosan pitoisuuksiin. Laskennallisesti Laakajärven sulfaattipitoisuudet pohjoisosassa ovat kesällä 2013 tasoa 200 400 mg/l, kesällä 2014 pitoisuudet ovat laskeneet tasolle 40 80 mg/l. Kivijärven kerrostuneisuuden säilyessä Laakajärven pitoisuudet jäävät todennäköisesti laskennallisia sulfaattipitoisuuksia alhaisemmiksi. Kuvissa 22 ja 23 on esitetty sulfaatin alueellisia jakaumakuvia kesällä 2013 ja 2014. 23
24 Kuva 21. Laskennalliset sulfaatin aikasarjat Vuoksen suunnalla ennustetuilla kuormituksilla.
25 Kuva 22. Keskimääräiset sulfaattipitoisuudet kesällä 2013.
26 Kuva 23. Keskimääräiset sulfaattipitoisuudet kesällä 2014.
3.2.3 Mallinnuksen epävarmuustekijät Vesistömalli on pelkistetty matemaattinen kuvaus vesien liikkeistä ja aineiden kulkeutumisesta. Lähtökohtana on malliin syötetty vesistön morfometria (eli veden pinnan alaiset syvyyden vaihtelut), tunnetut luonnonvakiot ja yleiset virtausyhtälöt. Malli laskee annettujen lähtötietojen perusteella syntyvät virtauskentät ja suunnat, aineiden laimentumisen ja poistuman vedestä esimerkiksi sedimenttiin. Vesiluonnossa tapahtumat ovat paljon monimutkaisempia ja siellä tapahtuu prosesseja, joita mallissa ei ole huomioitu, kuten virtausten ja aallokon aiheuttama pohjaan jo kerran sedimentoituneiden aineiden sekoittuminen takaisin alusveteen (ns. resuspendaatio), kemialliset muutokset johtuen ph:n ja hapetus-pelkistysolosuhteiden vaihteluista, jne. Talvivaara Sotkamo Oy:n kaivosalue sijaitsee vedenjakaja-alueella eli aivan molempien vesistöjen yläjuoksulla, missä virtaamat ovat verrattain pieniä, ja jolloin pienikin kuormituksen vaihtelu heijastuu nopeasti vesistön pitoisuuksissa. Kipsisakka-altaan vuodon seurauksena maaperään ja sen painanteisiin on päätynyt myös sulfaattipitoisia vesiä, jotka mahdollisesti purkautuvat vesistöön kevään aikana nostaen jonkin verran alueen sulfaattikuormitusta laskennasta käytetyistä, joten todelliset pitoisuuden nousut tulevat mitä todennäköisimmin olemaan hieman laskennallisia arvoja suurempia. Samoin vesistöjen alusvesiin (syvänteisiin) varastoituneet sulfaattipitoiset vedet lisäävät omalta osaltaan pitoisuuksia ns. kevättäyskierron aikaan, jolloin pääosa koko järven vesimassasta sekoittuu johtuen sekä lämpötilaerojen tasoittumisesta että tuulten aiheuttamista virtauksista. Tulovesien määrät ja vesistön virtaamat ovat sadannan avulla laskettuja estimaatteja tai likiarvoja, joissa on huomioitu vedenkorkeuden vaihtelut, mutta laskennalliset päivittäiset virtaamat eivät kuitenkaan kaikilta osin todennäköisesti vastaa todellisia virtaamia. Tulosten tarkastelussa on myös huomioitava, että laskennassa on käytetty vuosien 2010-2011 hydrologisia oloja, joten hydrologisten olojen merkittävästi poiketessa ko. jakson oloista, myös arvioidut sulfaattipitoisuudet muuttuvat. Vaikka käytetty malli on ns. 3D-malli, jossa huomioidaan lämpötilasta johtuva kerrostuminen, on osa vesistöstä niin poikkeuksellisen vahvasti tiheyserojen vuoksi kerrostunut, ettei mallia kyetty käytettävissä olevan ajan puitteissa tältä osin riittävän tarkasti kalibroimaan. Tällöin havaitut sulfaattipitoisuudet kerrostuneen järven alapuolella ovat usein laskennallisia alhaisempia. Epävarmuustekijöistä huolimatta laskenta kuvaa aineiden keskimääräistä kulkeutumista ja leviämistä vesistössä eri kuormitustilanteissa, puutteet on vain huomioitava tuloksia tarkasteltaessa ja niitä hyödynnettäessä. On muistettava, että laskentamalli on vain väline, työkalu, joka helpottaa analyysien tekemistä. 27
4 TIIVISTELMÄ JA JOHTOPÄÄTÖKSET Talvivaaran kaivosalueelle on kertynyt runsaasti ylimääräisiä vesiä, joita on juoksutettu vesistöön ja juoksutusten arvioidaan jatkuvan edelleen. Oulujoen suuntaan juoksutus aloitettiin viikolla 10 (5.3.2013) ja juoksutuskiintiö täyttyi viikolla 18 (30.4.2013). Vettä juoksutettiin eteläisestä Kuusilammesta Härkäpuron ja Kuusijoen kautta Kalliojokeen kaikkiaan noin 838 000 m 3. Tämän lisäksi Oulujoen suuntaan juoksutettiin prosessivesiä. Vuoksen suuntaan juoksutukset aloitettiin hieman myöhemmin viikolla 13 (26.3.2013) ja juoksutuskiintiö täyttyi toukokuun puolen välin tienoilla. Suunnitelmien mukaan vesiä johdetaan Oulujoen suuntaan vielä tänä vuonna noin 4,2 milj. m 3. Kaivosyhtiön arvion mukaan vuonna 2014 Oulujoen suuntaan johdetaan keskimääräisenä hydrologisena vuotena lähinnä kuivatusvesiä noin 3,8 milj. m 3, Vuoksen suuntaan on tarkoitus johtaa vesiä vielä tänä vuonna noin 2,2 milj. m 3 ja vuonna 2014 3,4 milj. m 3. Talvivaara Sotkamo Oy:n oman arvion mukaan Lone-vesien juoksutus loppuu vuoden 2013 lopussa, eikä vuonna 2014 juoksuteta enää Lone-vesiä vesistöön. 28 Oulujoen suuntaan purkautuu sulfaattia tänä vuonna noin 20 000 t ja vuonna 2014 noin 8 400 t. Vuoksen suuntaan vastaavat kuormitusluvut ovat 11 000 t ja 6 600 t. Toteutuneiden juoksutusten osalta mallia oli mahdollista testata käyttäen toteutuneita kuormitustietoja. Vesistön dynamiikkaa, pitoisuuksien leviämistä ja pitoisuustasoja eri vesistön osissa malli näyttäisi kuvaavan kohtalaisesti sen rajoitteet huomioiden. Kuitenkin purkuvesistön järvien erittäin voimakasta kerrostumista malli ei kuvaa, joka tiedettiin jo aikaisempien laskentojen perusteella. Purkuvesistön pienet virtaamat ja suuri kuormitus ja sen vaihtelu sekä suuret tiheyserot tekevät mallinnuksesta vaativan, ja heikentävät merkittävästi mallilaskelmien tarkkuutta. Kerrostuminen vaikuttaa mallilaskelmiin siten, että sulfaatin tulppautuessa järvien pohjakerroksiin, mallin laskemat keskiarvopitoisuudet ovat liian korkeita heti järvien alapuolella. Jossain vaiheessa järviastia kuitenkin täytyy ja sulfaattia alkaa purkautua alusvedestä viivästyneenä. Toinen vaihtoehto on, että erittäin voimakkaiden virtausten ja myrskyjen aikana kerrostuneen järven tiheysgradientti purkautuu ja alusvesi sekoittuu päällysveteen, jolloin pitoisuuksien nousu voi olla nopeampaa ja pitoisuudet korkeita. Epävarmuustekijöistä huolimatta laskenta kuvaa aineiden keskimääräistä kulkeutumista ja leviämistä vesistössä eri kuormitustilanteissa, puutteet on vain huomioitava tuloksia tarkasteltaessa ja niitä hyödynnettäessä. On myös muistettava, että laskentamalli on vain väline, työkalu, joka helpottaa analyysien tekemistä ja ongelman analyyttistä lähestymistä. Tuloksien perusteella voidaan kuitenkin todeta, että ylimääräisten vesien aiheuttama sulfaattipitoisuus nostaa lähialueiden sulfaattipitoisuudet erittäin korkeiksi ja purkuvesistöön syntyy voimakas alueellinen sulfaattigradientti sekä vertikaalisesti että spatiaalisesti. Laskentaennusteen mukaan Salmisen ja Salmisen puron keskipitoisuudet laskevat kesän 2013 aikana tasolle 1 000 1 500 mg/l. Vielä kesällä 2014 Kalliojärven laskennalliset pitoisuudet ovat tasoa 300 mg/l, vaikka LONEvesien kuormitus on lakannut vuoden 2014 alusta. Kesäkuun ja syyskuun korkeat sulfaattikuormitukset nostavat Kalliojoen pitoisuudet korkeiksi,
pitoisuuksien vaihdellessa ensi kesän ja syksyn aikana välillä 500 3 000 mg/l virtausolosuhteista riippuen. Laskennan mukaan Kolmisoppijärven pitoisuudet nousevat kesän aikana tasolle 500 600 mg/l. Näin korkeissa pitoisuustasoissa Kolmisoppijärvi kerrostuu todennäköisesti ainakin osittain. Kesällä 2014 pitoisuustaso näyttäisi asettuvan tasolle 200 mg/l. Mikäli Kolmisopen kerrostuneisuus ei muodostu kovin vahvaksi, ensi kesän päällysveden korkeat pitoisuudet heijastuvat myös Tuhkajoen veden sulfaattipitoisuuksin. Pitoisuudet voivat nousta jopa tasolle 500 mg/l, josta ne laskevat tasolle 150 200 mg/l. Jormasjärvessä keskipitoisuudet liikkunevat tasolla 100 mg/l, pintaosasta mitataan pienempiä arvoja kun taas syvänteiden pohjalla pitoisuudet tulevat olemaan korkeampia. Laskentaennusteen mukaan Lumijoen sulfaattipitoisuus vaihtelee kesällä 2013 virtaustilanteesta riippuen välillä 200 1 600 mg/l. Kevättalvella 2014 laskennalliset pitoisuudet ovat tasoa 1 400 mg/l, josta ne laskevat kesäksi tasolle 400 mg/l. Mikäli vesimäärä on suurempi kuin mallilaskelmissa, pitoisuudet jäävät laskettuja pienemmiksi. Kivijärven keskimääräiset pitoisuudet liikkuvat tasolla 500 400 mg/l. Kivijärven kerrostuneisuuden jatkuessa mitataan alusvedessä edelleen erittäin korkeita pitoisuuksia, päällysveden pitoisuuden ollessa nykytasoa, noin muutama sata mg/l. Laskennallisesti Laakajärven sulfaattipitoisuudet järven pohjoisosassa ovat kesällä 2013 tasoa 200 400 mg/l, kesällä 2014 pitoisuudet ovat laskeneet tasolle 40 80 mg/l. Kivijärven kerrostuneisuuden säilyessä Laakajärven pitoisuudet jäävät laskettuja pienimmiksi, kun taas kerrostuneisuuden nopea purkautuminen nostaa pitoisuuksia erityisesti Laakajärven pohjoisosissa. 29 Vaikka sulfaatti sinällään ei ole vesiluonnolle kovin myrkyllinen aine, aiheuttaa se vakavia häiriöitä vesistöjen luonnontilaan häiriten mm. sen normaalia aineiden kiertoa, mm. sulfaatin mikrobiologisen pelkistymisen aiheuttama raudan kierron tyrehtyminen alusvedessä, mikä pidemmällä aikavälillä voi lisätä myös järvien sisäistä fosforikuormitusta. Sulfaattipitoisuutta voidaan pitää myös yhtenä tärkeimmistä kemiallisista indikaattoreista kaivosalueen päästövesien leviämisen tarkastelussa. Huomioitavaa kuitenkin on, että vesireitillä kauemmaksi kaivosalueelta siirryttäessä todennäköisyys valuma-alueen muun maankäytön ja teollisen toiminnan aiheuttamalle sulfaattikuormitukselle lisääntyy.