Raportti 4/2015 Automaattisen veden laadun seurannan soveltuvuus maatalouden vesistökuormituksen mittaamiseen Pasi Valkama
Johdanto Suurin osa hajakuormituksena peltoalueilta huuhtoutuvasta ravinne ja kiintoainekuormasta kulkeutuu virtavesissä keväällä lumen sulamisaikaan, syystulvien yhteydessä tai leudoissa talviolosuhteissa kasvukauden ulkopuolella. Veden laadun ja määrän vaihtelu voi näissä ylivirtaamatilanteissa olla hyvin nopeaa. Tästä syystä esimerkiksi tyypillisellä tarkkailuohjelman näytteenottotiheydellä 6 12 näytettä vuodessa, ei kuormitushuippuja yleensä saada kiinni. Koska jokien kuljettamat ravinnekuormat arvioidaan usein näiden yksittäisten näytteiden perusteella, johtaa tämä huomattavaan epävarmuuteen kuormitusarvioissa. Tästä syystä hajakuormituksen mittaamiseen tarvitaankin uusia menetelmiä. Kuva 1. Hajakuormituksen mittaaminen perinteisin menetelmin on haastavaa erityisesti tulva aikaan. Automaattisen veden laadun seurannan avulla on mahdollista tarkentaa kuormitusarvioita huomattavasti. Etuna jatkuvatoimisessa seurannassa kuormitusarvioita ajatellen on todellisten minimi ja erityisesti maksimipitoisuuksien havaitseminen. Lepsämänjoen aineistosta aikaisemmin tehdyn analyysin mukaan esimerkiksi 12 vuosittaisella näytteellä todennäköisyys päästä ±20 % tarkkuuteen todellisesta fosforikuormitusarviosta on 0,47. Viikottaisella näytteenotolla (52 näytettä vuodessa) todennäköisyys on 0,7. Automaattisen veden laadun seurannan ottaminen osaksi tarkkailua vaatii aina hyvän vesistökohtaisen suunnittelun alkaen mittauspaikan valinnasta ja mitattavista parametreista. Vantaanjoen ja Helsingin seudun vesiensuojeluyhdistyksen kokemusten perusteella suhteellisen helposti ja varmatoimisesti mitattavia suureita ovat ainakin sähkönjohtavuus, lämpötila, happipitoisuus, sameus, nitraattityppi ja orgaanisen aineksen pitoisuus. Nitraattitypen mittaaminen vedestä onnistuu tarkasti spektrofotometrisilla mittalaitteilla. Tällä periaatteella toimivat anturit vaativat kuitenkin laadukkaan laboratoriossa tuotetun kalibrointiaineiston. Fosforin mittaaminen savisilla alueilla, joissa suurin osa fosforista kulkeutuu 1
kiintoaineeseen sitoutuneena, onnistuu sameuden avulla. Sameus kertoo myös veden kiintoainepitoisuudesta. Sameuden käyttäminen kiintoainepitoisuuden tai kokonaisfosforin mittaamisessa vaatii aina mittauspaikkakohtaisen kalibroinnin. Liukoisen fosforin mittaamisen ei ole vielä olemassa yksinkertaista, edullista anturia. Vantaanjoen ja Helsingin seudun vesiensuojeluyhdistys (VHVSY) on mitannut Lepsämänjoen mittausasemalla (Le27,0) veden laatua ja määrää yhtäjaksoisesti vuoden 2006 huhtikuusta alkaen. Tähän koosteeseen on raportoitu Uudenmaan ELY keskuksen kustantaman 1,5 kuukauden mittaisen seurantajakson tulokset 1.11. 15.12.2014, mutta raportissa on hyödynnetty myös aiemmin joesta kerättyä aineistoa ja kokemuksia automaattimittauksiin liittyen. Joulukuun alussa mittauspaikan yläpuolella aloitettiin jokiuoman perkaustyöt. Uudenmaan ELY keskuksen myöntämän luvan mukaisesti uomasta nostettiin kaivinkoneella sinne vuosien aikana pelloilta huuhtoutunutta ja uomaan kertynyttä kiintoainetta. Raportissa on esitetty ravinne ja kiintoainekuormien lisäksi kaikki antureilla mitatut muuttujat sekä jokiuoman perkaustöiden vaikutukset veden laatuun. Valuma alue Lepsämänjoen valuma alueen pinta ala on 23 km 2 ja se sijaitsee Nurmijärven kunnan alueella Etelä Suomessa (Liite 1). Valuma alueen pinta alasta 36,5 % on viljelykäytössä. Maankäytöstä (kuva 3, vasen) merkittävä osa on myös metsää (44 %) ja asutuskeskittymiä on Röykän taajaman ja Mikkolanmäen alueella. Maaperästä yli puolet on savea ja karkeampia maalajeja esiintyy aivan valuma alueen pohjoisosassa Salpausselän alueella (kuva 3, oikea). Pellot ovat pääasiassa sijoittuneet tasaisille savialueille jokiuoman läheisyyteen. Alueen tasaisuudesta johtuen tulvat ovat Lepsämänjoen pelloilla yleisiä (kuva 2). Lepsämänjoella viljellään paljon kevätviljoja käyttäen suorakylvöä. Lisäksi alueella talviaikainen kasvipeitteisyys on lisääntynyt voimakkaasti. Talvella 2007 08 talviaikaisen kasvipeitteisyyden osuus peltoalueista oli 38 %, kun se talvella 2013 14 oli jo 71 %. Suorakylvön ja nurmien osuuden lisääntyminen sekä kaalinviljelyn vähentyminen ovat huomattavia peltoviljelyyn liittyviä muutoksia alueella. Kuva 2. Lepsämänjoella kärsitään säännöllisesti myös tulvista, jotka levittäytyvät alueen pelloille. 2
Kuva 3. Lepsämänjoen maankäyttö (vasen kuva, Corine 2006) ja maaperä (oikealla, GTK maaperäkartta 2013). Mittausaseman sijainti on esitetty mustalla nuolella. Mittausten toteutus ja datan käsittely Lepsämänjoen mittausasemalla mitattiin tunnin välein veden lämpötilaa, happipitoisuutta ja johtokykyä YSI 600 (YSI Inc.) sarjan mittalaitteella 1.11 15.12.2014. Optinen happisensori oli varustettu mekaanisella pyyhkimellä, joka puhdisti mittausikkunan ennen jokaista mittausta. Sameutta, nitraattitypen pitoisuutta ja kemiallista hapenkulutusta mitattiin Scanin spektrofotometriaan perustuvalla sensorilla (S::can GmbH, Austria) ja virtaamaa Sontekin IQ anturilla, jonka toiminta perustuu ultraääneen. Scanin mittauskyvetin pituus oli 5 mm ja sen on todettu olevan optimaalinen Lepsämänjoen olosuhteissa. Mittauskyvetin puhdistus tehtiin paineilmapuhalluksen avulla ennen jokaista mittausta. Scanin mittausaineisto täytyy aina kalibroida mittauspaikkakohtaisesti laboratoriossa määritettyjen vesinäytteiden tulosten avulla. Tässä raportissa käsitellyn mittausjakson aineiston kalibrointi on suoritettu aikaisempien mittausten ja laboratoriomääritysten perusteella. Sadanta ja ilman lämpötilatiedot otettiin Vihdin Laurissa sijaitsevan mittausaseman Vaisala WXT sääaseman tiedoista. Koska sääasema ei sijaitse valuma alueella, on esimerkiksi sadantatieto vain suuntaa antava. Mittalaitteet oli kiinnitetty joen yli rakennettuun puiseen siltaan. Tiedonsiirto ja lähetysyksikkö sekä Scananturin ilmanpainepudistusta varten asennettu paineilmapullo oli sijoitettu joen penkalle tulvakorkeuden yläpuolelle sijoitettuun mittauskoppiin. Tiedonsiirto tapahtui asemalta kaksi kertaa vuorokaudessa Luode 3
Consulting Oy:n palvelimelle, josta se oli mittauspalvelun kautta nähtävissä graafisesti esitettynä sekä numeerisena taulukkona. Mittauspalvelun kautta data siirrettiin VHVSY:n tutkijan tietokoneelle, jossa mittausaineiston jalostaminen ja kuormituslaskennat tehtiin SPSS Statistics 21 ( IBM) ja Microsoft Excel ( Microsoft) ohjelmistojen avulla. Savisilla valuma alueilla sameuden on todettu korreloivan kiintoainepitoisuuden (SS) kanssa. Korrelaatio on yleensä paras sameuden ja 0,4 µm nuclepore suodattimella määritetyn kiintoainepitoisuuden kanssa, mutta erittäin merkitsevä myös lasikuitusuodattimella (GF/C) määritetyn pitoisuuden kanssa. Sameuden ja kokonaisfosforipitoisuuden (TP) välinen korrelaatio muodostuu savialueiden virtavesissä usein hyväksi, koska suurin osa fosforista kulkeutuu savihiukkasiin sitoutuneena. Lepsämänjoen tapauksessa korrelaatio sameuden ja kiintoainepitoisuuden, kuin myös sameuden ja kokonaisfosforipitoisuuden välillä on todettu aikaisemmin tilastollisesti erittäin merkitseväksi. Fosforin osalta selitysastetta voidaan edelleen parantaa määrittämällä laskennallisesti kiintoaineeseen sitoutuneen fosforin pitoisuus. Tällöin on suositeltavaa lisätä laboratorioanalyysivalikoimaan liukoisen kokonaisfosforin määritys. Kiintoaineeseen sitoutuneen fosforin pitoisuus voidaan näin helposti määrittää kokonaisfosforipitoisuuden ja liukoisen kokonaisfosforipitoisuuden välisenä erotuksena. Marras joulukuussa Lepsämänjoen mittausaseman kohdalta otettiin kaksi vesinäytettä. Yksistään niiden tulosten perusteella ei voitu muodostaa sameuden ja kokonaisfosforipitoisuuden eikä sameuden ja kiintoainepitoisuuden välistä regressioyhtälöä, vaan tulokset liitettiin osaksi aikaisemmin Lepsämänjoelle laadittuja kalibrointiyhtälöitä (kaavat 1 ja 2). TP = 41,6 + 1,17*Tur (kaava 1) SS= 0,88*Tur (kaava 2) Sameuden ja kiintoainepitoisuuden osalta yhtälö on pakotettu nollaan, koska tilanteessa jossa sameus on nolla, voidaan kiintoainepitoisuudenkin olettaa olevan nolla. Nollaan pakotusta tukee myös se, että yhtälön vakiolla ei todettu olevan tilastollista merkitsevyyttä. Sameuden ja kokonaisfosforipitoisuuden välisen yhtälön vakion taas voidaan olettaa kertovan liuenneessa muodossa olevan fosforin pitoisuudesta. Tulokset ja tulosten tarkastelu Virtaamaolot mittausjaksolla vaihtelivat sateiden mukaan (kuva 4). Jakson loppua kohden ilman lämpötila laski ja koko jakson keskiarvo Vihdin mittausasemalla oli 1,7 C. Jakson keskivirtaama oli 180 l/s ja virtaaman vaihteluväli 73 758 l/s. Virtaama lähti voimakkaaseen nousuun aivan jakson lopussa. 4
Kuva 4. Lepsämänjoen virtaama ja sadanta Vihdin mittausasemalla. Veden lämpötila (kuva 5) muuttui ilman lämpötilan mukaisesti ja joulukuun alun pakkasjakson aikana joki jäätyi nopeasti. Sää lämpeni kuitenkin taas mittausjakson lopulla ja sade tuli sulaan maahan vetenä. Kuva 5. Lepsämänjoen virtaama ja veden lämpötila tunnin välein mitattuna. Lepsämänjoen happipitoisuus mittausjaksolla (kuva 6) vaihteli veden lämpötilan mukaisesti ja happitilanne oli kauttaaltaan hyvä (keskiarvo 11,2 mg/l). Happi liukenee paremmin kylmään veteen ja siten veden lämpötilan laskiessa happipitoisuus nousi. Poikkeuksen muodosti uoman perkauksen aikainen tilanne, jolloin happipitoisuudessa oli havaittavissa selviä kuoppia. Happipitoisuuden lasku ajoittui samaan aikaan kuin sameuden ja kemiallisen hapenkulutuksen piikit osoittaen kaivuutöistä huuhtoutuneen kiintoaineen sisältävän paljon myös happea kuluttavaa orgaanista ainesta. Kaivuun seurauksena joessa kulki valtavat määrät uoman pohjasta irronnutta kasviainesta, joka muodosti jäätyessään valtavia lauttoja mittauspaikan yläpuolisen sillan eteen. 5
Aikaisemmin Lepsämänjoessa tehtyjen mittausten aikana on havaittu jätevesipumppaamojen ylivuototilanteessa jokeen päässeen jäteveden aiheuttavan nopeasti johtokyvyn nousua ja samanaikaisen happipitoisuuden laskun. Kyseisiä tilanteita ei tällä mittausjaksolla havaittu. Johtokyky kertoo veteen liuenneiden suolojen määrästä ja siihen vaikuttavia pääkomponentteja ovat muun muassa sulfaatit, kloridit ja karbonaatit. Lepsämänjoen johtokyky laski virtaaman noustessa johtuen valumavesien vettä laimentavasta vaikutuksesta. Vaihteluväli johtokyvyllä oli kuitenkin melko pieni, 176 223 µs/cm. Aivan virtaaman nousuvaiheessa johtokyvyssä saattoi esiintyä lyhytaikainen piikki, joka kertoo valunnan alkuvaiheessa uomaan huuhtoutuvan jostain lähialueelta johtokykyä nostavaa konsentroitunutta vettä. Viitteitä vastaavasta first flush tilanteesta voitiin nähdä tälläkin mittausjaksolla. Kuva 6. Lepsämänjoen happipitoisuus ja johtokyky tunnin välein YSI:n anturilla mitattuna. Scanin anturilla mitattiin Lepsämänjoen kemiallisessa hapenkulutuksessa (COD Mn ) tapahtuvia muutoksia (kuva 7). COD Mn oli tällä marras joulukuun mittausjaksolla keskimäärin 18 mg/l. Uoman perkaustöiden vaikutus joulukuun alussa näkyy selvästi. COD Mn vaihtelee Lepsämänjoessa vuodenajoittain arvojen ollessa syyspuolella korkeampia kuin keväällä. Hapenkulutus jokiuomassa kasvaa kun orgaanisen aineksen määrä valumavesissä lisääntyy kasvukauden loppupuolella kasvillisuuden lakastuessa ja hajotessa. Scanin anturi ei mittaa suoraan kemiallista hapenkulutusta, vaan liukoisen orgaanisen hiilen (DOC) pitoisuutta. Lepsämänjoen tapauksessa laboratoriossa määritetty COD Mn korreloi kuitenkin paremmin Scanin raakadatan kanssa kuin laboratoriossa määritetty DOC. Ilmeisesti DOC mittauksia häiritsee jonkin verran ajoittain korkeat sameusarvot ja siten COD Mn toimiikin Lepsämänjoessa paremmin orgaanisen aineksen määrää kuvaavana muuttujana kuin DOC. 6
Kuva7. Lepsämänjoen kemiallinen hapenkulutus tunnin välein Scanin anturilla mitattuna. Lepsämänjoen sameus (kuva 8) nousi mittausjakson ensimmäisessä virtaaman nousuvaiheessa ollen korkeimmillaan (228 FTU) noin 15 tuntia ennen virtaaman maksimia. Kyseisestä virtaaman maksimin ja sameuden/kiintoainepitoisuuden välisestä viiveestä käytetään nimitystä hysteresis. Kun pitoisuushuippu saavutetaan ennen virtaamahuippua, on kyseessä positiivinen hysteresis. Kyseinen ilmiö johtuu uoman pohjasta tulvan nousuvaiheessa liikkeelle lähtevän kiintoaineen nopeasta pöllähdyksestä. Yksittäisiä valuntatapahtumia huomattavasti voimakkaammin sameuteen vaikutti joulukuun 8. päivä alkanut uoman ruoppaustyö. Kaivuu aloitettiin noin 150 metriä mittausaseman yläpuolelta. Sameusdatassa näkyy selkeästi viiden arkipäivän työrytmi ja viikonloppuna pidetty tauko. Samennusta lisäsi se, että samaan aikaan sattuneet vesisateet lisäsivät valuntaa ja joen virtaamaa. Kuva 8. Scanin anturilla tunnin välein mitattu sameus. Sameuden keskiarvo ennen uoman perkaamisen alkamista oli 45 FTU, kun se kaivuutöiden alettua oli 235 FTU. Kaivuun vaikutuksia selvitettiin laskemalla kiintoainehuuhtouma virtaaman ja kiintoainepitoisuuden suhteen avulla, joka vallitsi ennen kaivuutyön alkamista (kuva 9). Vertaamalla tätä referenssitasoa toteutuneeseen kiintoainehuuhtoumaan voitiin todeta, että uoman kaivaminen lisäsi kiintoainehuuhtoumaa yli kaksinkertaiseksi (kuva 10). Kun kaivuutöiden aikana uomassa kulki 49 900 kg 7
kiintoainetta, olisi se ilman kaivuuta ollut noin 22 600 kg. Suurimmillaan joessa kulki lähes 900 kg kiintoainetta yhdessä tunnissa. Kuva 9. Virtaaman ja kiintoainepitoisuuden välinen suhde ennen kaivuuta (ruskeat pisteet) ja kaivuun aikana (mustat ympyrät). Kuva 10. Uoman perkaustöiden aikainen kiintoainepitoisuus sekä mallinnettu kiintoainepitoisuus, jos kaivuutöitä ei olisi tehty. Sameuden ja kiintoainepitoisuuden välinen suhde saattaa muuttua kaivuutöiden takia. Koska uoman kaivuun ajalta ei ole vesinäytettä on koko mittausajan kuormituslaskennassa käytetty samaa sameuden ja kiintoainepitoisuuden välistä yhtälöä. Samoin sameuden ja kokonaisfosforipitoisuuden välinen suhde todennäköisesti muuttuu kaivuutöiden takia. Aiemmissa mittauksissa on havaittu peltovaltaisilla valumaalueilla tehtävien uomassa tai uoman ulkopuolella tehtyjen kaivuutöiden aiheuttaman kiintoainehuuhtouman sisältävän vähemmän fosforia kun normaalisti uomassa kulkeutuva kiintoaine. Siten tämän mittausjakson aikainen fosforikuorma on todennäköisesti jonkin verran yliarvioitu. Koko jakson aikainen kiintoainekuorma oli 75 200 kg, josta pelkästään kaivuutöiden osuus oli 36 %. Fosforia kulkeutui samaan aikaan 129 kg ja nitraattityppeä 2 380 kg. 8
Kuva 10. Nitraattitypen pitoisuus ja virtaama Lepsämänjoessa marras joulukuussa 2014. Nitraattitypen pitoisuuden (kuva 10) vaihteluväli oli 1,1 6,7 mg/l maksimipitoisuuden ajoittuessa ensimmäisen valuntatapahtuman yhteyteen (8.11.2014). Korkeimmillaan nitraattitypen pitoisuus on Lepsämänjoen aikaisemmissa mittauksissa ollut lähes 15 mg/l. Nitraattitypen mittausta häiritsi jonkin verran uoman kaivuutöiden aikainen voimakas samennus. Kun vesi oli riittävän sameaa (>600 FTU), ei nitraattitypen mittaaminen enää onnistunut kyseisellä Scanin anturilla. Jos kyseessä olisi mittauspaikalle tyypillinen sameuslukema, tulisi tälle paikalle harkita esimerkiksi 2 mm kyvetillä varustettua anturia. Tällöin näin korkeat sameusarvot eivät häiritse nitraattitypen mittausta. Myös esimerkiksi Scanin 1 mm kyvetillä varustetulla sensorilla voidaan mitata usean tuhannen FTU:n sameuksia. Tällöin mittausten hajonta alle 100 FTU:n sameuksilla kuitenkin kasvaa ja mittaustarkkuus pienemmillä sameuksilla kärsii. Olennaista on kuitenkin saada mitattua valuntahuippujen aikaiset korkeimmat pitoisuuspiikit, jolloin kuormitus on suurimmillaan. Taulukossa 1 on esitetty kahdesta vesinäytteestä otettujen laboratoriomääritysten tulokset, jotka tukevat antureilla saatua tietoa veden laadussa tapahtuneista muutoksista. Taulukko 1. Laboratorioanalyysien tulokset Lepsämänjoesta. Pvm Sameus kiintoaine kiintoaine ph johtokyky happipit. COD Mn NO2+3 N Kok. typpi PO4 P liuk.kok. fosfori kok. fosfori DOC FNU (GF/C) mg/l (Npc) mg/l µs/cm mg/l mg/l mg/l mg/l µg/l µg/l µg/l mg/l 4.11.2014 0:00 59 22 48 7,1 198 9,1 13 1,8 2,6 21 29 130 12 11.11.2014 0:00 50 21 54 6,7 208 26 3,9 5 26 43 82 17 Loppuyhteenveto Pelloilta huuhtoutuva kiintoaine lisää maatalousvaltaisten jokien ja ojien perkaustyön tarvetta. Tämän raportin tulosten perusteella voitiin todeta joen perkaustyön lisäävän joessa kulkeutuvaa kiintoainehuuhtoumaa merkittävästi. Se nosti myös joen kemiallista hapenkulutusta ja laski happipitoisuutta. Kaivuutöiden ajoittaminen sulan maan aikaan ja samaan aikaan osuneiden sateiden yhteisvaikutuksesta perkaus huononsi joen veden laatua huomattavasti. Vastaavien töiden ajoittaminen talviaikaan maan ollessa jäässä on tulosten perusteella hyvin suotavaa. 9
Automaattiset anturit soveltuvat erinomaisesti maataloudesta tulevan ravinnekuormituksen seurantaan, jos tietyt reunaehdot täyttyvät. Antureiden käytössä tulee huomioida mittauspaikan soveltuvuus, oikeanlaisten anturien valinta kyseiseen paikkaan, riittävän tiheät huoltokäynnit ja kalibroinnista huolehtiminen. Jos suunnitellusta mittauspaikasta on olemassa jo aikaisemmin kerättyä vedenlaatuaineistoa, voidaan tätä tietoa hyödyntää antureiden valinnassa ja mittausten suunnittelussa. Anturin hankinnan lisäksi kuluja tulee laitteiston huoltokäynneistä ja kalibrointi ja vertailunäytteistä. Mittausten laadunvarmistusketjun tärkein lenkki tehdään mittauspaikan valinnassa ja mittausaseman asennustyössä. Myös tulosten säännöllinen seuranta mahdollisten häiriötilanteiden havaitsemiseksi on tärkeää. Tässä reaaliaikainen tiedonsiirto on olennaisessa osassa. Veden laadussa ja määrässä tapahtuvien muutosten reaaliaikainen seuraaminen mahdollistaa myös vesinäytteenoton ajoittamisen mahdollisiin poikkeustilanteisiin tai kuormituksen kannalta merkittävien valuntatapahtumien yhteyteen. On myös muistettava, että automaattianturit eivät korvaa perinteistä vesinäytteenotto laboratorioanalyysiketjua kokonaan, vaan vesinäytteitä tarvitaan edelleen tuomaan tietoa muun muassa muuttujista, joita antureilla ei voida mitata. Jatkuvatoimisen mittauksen arvo onkin siinä, että se tarkentaa perinteistä seurantaa ja tuo näin mahdollisuuden arvioida vesistön tilaa ja kuormitusta entistä tarkemmin. 10
11
Automaattisen veden laadun seurannan soveltuvuus maatalouden vesistökuormituksen mittaamiseen Tähän raporttiin on koottu marras joulukuussa 2014 Lepsämänjoella tehdyn automaattisen veden laadun ja määrän mittausten tulokset. Tarkastelussa on keskitytty erityisesti mittausmenetelmän soveltuvuuden arviointiin maatalousvaltaisten virtavesien seurannassa ja maatalouden vesistökuormituksen arvioinnissa. Työssä selvitettiin myös uoman perkaustöiden vaikutuksia joen veden laatuun. Vantaanjoen ja Helsingin seudun vesiensuojeluyhdistys ry Asemapäällikönkatu 12 B, 7. krs, 00520 Helsinki p. (09) 272 7270, vhvsy@vesiensuojelu.fi www.vhvsy.fi