Orgaaninen kiintoaines turvemaiden valumavesissä – keinoja kuormituksen vähentämiseksi Hannu Marttila, Oulun yliopisto Huomiota humusvesiin –seminaari 14.4.2012 Motivaatio • Orgaaninen kiintoaines ja sedimentti • Lisääntynyt kulkeutuminen johtuen maankäytöstä. Ongelmallinen etenkin turvemailla, missä luontainen kiintoainekuormitus on pientä. • Toimivat ravinteiden nieluna ja lähteenä • Laskeutuvat hidasvirtaisille alueille: lammet, suvannot ja järvet – muuttavat pohjan olosuhteita • Vaikuttavat vesistöekologiaan • Uusi tieto auttaa ymmärtämään prosesseja ja parantamaan vesiensuojelua Erityinen ongelma Suomessa • Suot muodostavat merkittävän osan maanpinta-alasta • Lisääntynyt kiintoaineen kulkeutuminen on luokiteltu haitallisimmaksi ongelmaksi turvemailta • Lisääntyneen kulkeuman syyt: – Lisääntynyt sedimentin saatavuus – Muutokset virtaamissa ja huipukkuuden lisääntyminen – Lisääntynyt valuma-aluetason hydrologinen liittyvyys Kuormituksen synty • Turveojituksen kuormituksen määrään ja laatuun vaikuttavat useat ojitusalueen paikalliset ja alueelliset ominaisuudet, kuten suon geologinen historia, turpeen geokemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet, kosteusolosuhteet, alueen ilmasto sekä kuivatus-ojien kaltevuudet ja syvyydet • Vesistöön kulkeutuvan kuormituksen määrään vaikuttavat lisäksi käytettävät vesienpuhdistusmenetelmät Yhteydet valuma-alue tasolla Picture from Marttila et al. 2010 (ICCE red book) Mikä on kiintoaines? • Kiintoaineella tarkoitetaan vedessä hiukkasmaisessa muodossa (yli 0,45 μm) olevaa ainetta, joka koostuu sekä orgaanisesta että epäorgaanisesta aineksesta. Siitä aiheutuvaa kuormitusta on pidetty turvetuotannon ja turvemetsätalouden keskeisimpänä ympäristöhaittana • Mistä kiintoaines koostuu turveojitusalueilla – Orgaaninen ja epäorgaaninen jae – Raudan flokkuloituminen – Suuri molekyyliset humushapot? • Kiintoainekuormitus on seurausta maaperän eroosiosta ja kulkeutumisesta valumaveden mukana vastaanottavaan vesistöön. Kiintoaineen kulkeutuminen ja flokkulaatio Orgaaninen turvesedimentti ojitusalueilla • Kun ojitus on tehty mm. ojatörmien eroosiota on vaikea estää • Vesiensuojelun kannalta uoman pohjalla olevalla sedimentillä on tärkeä rooli • Orgaaninen turvesedimentti on helposti liikkeelle lähtevää • Kesäiset/syksyiset valuntahuiput voivat olla dominoivia, esim. yksi ukkoskuuro voi kuljettaa yli 30% vuotuisesta kuormituksesta (tulos yhdeltä turvemetsätalousalueelta) • Merkittävä osa ravinteista voi kulkeutua kiintoaineen mukana Marttila, H & Klöve, B. 2008. Erosion and delivery of deposited peat sediment, Water Resources Research, 44 Marttila H & Klöve B 2010. Dynamics of erosion and suspended sediment transport from drained peatland forestry, Journal of hydrology 344 (3-4), 414425. Tiedon puute… • Tyypillisesti kiintoainekuormitusta mitataan turveojitusalueiden valumavesistä käyttämällä 1,2 μm suodatinta, mikä voi johtaa hienojakoisimman kiintoaineen kulkeuman aliarviointiin verrattuna suodatuksiin, joissa käytetään 0,4 μm suodatinta. • Tietoa näiden fraktioiden välisestä erosta turvetuotantoalueiden tai turvemetsätalouden valumavesissä on kuitenkin vielä vähän. Asiaa selvitetään parhaillaan. • Erittäin pienet partikkelit – 1.2 µm filter (GF/C) vs. 0.4 µm filter – Mikä vaikuttaa? • Orgaanisen kiintoaineen hajoaminen • Raudan flokkulaatio • Suuri molekyyliset humus-hapot Mistä kiintoaine on peräisin? Katsaus turvemetsätalouteen ja turvetuotantoon Leinonen (2010) Eroosio turveojitusalueilla • Eroosiolla tarkoitetaan maanpinnan kulumista, jota tapahtuu etenkin veden vaikutuksesta. • Altistaa maanpintaa eroosiota aiheuttaville voimille – Suojaavan pintakasvillisuuden poistaminen (turvetuotanto) – Pintavesien kulkureittien muuttaminen (turvetuotanto, turvemetsätalous) – Oja eroosio (turvetuotanto, turvemetsätalous) • Pintaeroosioon ja uomaeroosioon: – Pintaeroosiota syntyy sadepisaroiden iskeytyessä maahan, jolloin ne irrottavat maahiukkasia. – Uomaeroosiossa veden virtausenergia irrottaa ja kuljettaa maahiukkasia virtauksen mukana. • Eroosioalttiudella tarkoitetaan uoman kykyä vastustaa eroosiota aiheuttavia voimia. Siihen vaikuttavat mm. maalaji, kasvipeite, läpäisevyys, kosteus ja fysikaalinen koostumus. • Hypoteesina on, että tuore paljastunut turpeen pinta on kuituinen ja vastustaa eroosiota hyvin. Vastaavasti hapettuneet, rikkoutuneet tai haurastuneet turvekerrokset ovat alttiimpia eroosiolle ja huuhtoutuvat helpommin. Etenkin heikosti maatuneiden turpeiden kasvinosat muodostavat turvetta sitovia ja vahvoja kerroksia. On myös todennäköistä, että turvekerroksien leikkauslujuus heikkenee turpeen maatuneisuuden kasvaessa Eroosio turvemetsätalouden ojastossa • Yleisesti eroosio turvemetsätalouden ojastossa voidaan jakaa kolmeen osaan: • Ojitus toimenpide tuottaa kiintoainetta suoraan kuljetukseen • Ojapinnat altistuvat liikkuvan veden kitkavoimille • Ojaston pinta altistuu sadannalle ja rapautumiselle • Monet paikalliset tekijät vaikuttavat eroosioon ja kulkeutumiseen • Eroosiota on mahdollista pienentää hyvällä suunnittelulla ja kulkeutuvaa kiintoainetta kontrolloida vesiensuojelurakenteilla. Eroosio turvetuotannossa • Turvetuotannossa suurin osa kiintoaineesta on peräisin paljaasta tuotantopinnasta. Tuotantokentältä kiintoaine kulkeutuu työkoneiden ja pintavalunnan seurauksesta ojiin. • Sateen intensiteetti, pintaturpeen ominaisuudet ja veden imeytyminen pintaturpeeseen määrittävät huuhtoutuvan kiintoaineen määrän. • Kiintoainekuormitus on suurimmillaan kesän sadantahuippujen aikana, kun turve on kuivaa, kevyttä ja osittain hydrofobista • Tuotantopinnalta kiintoaine kulkeutuu ojaverkostoon ja osa siitä laskeutuu ojan pohjalle • Ojien pohjalle laskeutunut kiintoaine erodoituu helposti uudelleen valuntahuippujen aikana. Tästä johtuen valuntahuippujen aikana kiintoaineen pääasiallinen lähde on ojaverkostoon laskeutunut ja pidättynyt turvesedimentti Ylävirrasta tuleva suspentoitunut kiintoaines Paikallinen lähde Ylävirrasta tuleva pohjasedimentti Suspentoitunut kiintoaines Paikallinen sedimentti materiaali Suspensiossa kulkeutuva kuormitus Siirtyvä sedimentti materiaali Pohjasedimentti Pohjakulkeuma kuormitus Paikallinen balanssi Sedimentin kulkeutumisen dynamiikka • Mitkä vaikuttavat kiintoaineen kulkeutumiseen: – Kulkeutuvan kiintoaineen määrä ja laatu – Uoman kuljetus kapasiteetti ja morfologia – Paikalliset uoman ominaisuudet Sedimentti tase Menetelmiä kiintoainekulkeuman hallintaan turveojitusalueilla Leinonen (2010) Kuormituksen poiston periaatteita • Kuormituksen synnyn estäminen • Syntyneen kuormituksen pidättäminen mahdollisimman lähelle syntypaikkaa • Kuormituksen poistaminen siellä, jossa pitoisuudet suuria ja kuormituksen pidättäminen ennen vesistöä • Käytetään parasta mahdollista tekniikkaa BAT (Best available technology) & BMP (Best management practice) • Pyritään saavuttamaan useita tavoitteita samanaikaisesti (tulva ja kuormitus, kuormitus ja biodiversiteetti) • Valuma-aluekohtainen ja kokonaisvaltainen lähestymistapa yleistymässä Kaikki alkaa hyvästä suunnittelusta!!! • Mitä, missä ja milloin!!! • Kuinka minimoida vaikutukset vesistöihin – – – – – Kaltevuus, vaikuttaa veden virtausnopeuteen Maaperä, vaikuttaa eroosio herkkyyteen Valuma-alueen koko, vaikuttaa vesimääriin Sijoittuminen vesistöalueella Alapuolisen vesistöalueen erityistarpeet • Vesiensuojelun onnistumisen kannalta on tärkeää, että ojaeroosio jää mahdollisimman vähäiseksi. • Kenttätyö ja paikkatieto (GIS) • GIS tiedon hyödyntäminen lisääntyy turvemetsätaloudessa – Ojituksien suunnittelu – Vesiensuojelurakenteiden sijainti Turvemetsäojan evoluutio, keskeinen turvemetsätalouden vesiensuojelun hallinnan ongelma Joten kuinka estää eroosio??? Kuva Antti Leinonen • Kunnostusojitukseen saattava GIS-tieto – – – – – – – Valuma-alueen koko Kaltevuus ojitusalueella Teoreettinen virtausnopeus Eroosio riskin arviointi Virtausreitit ja pituudet Pintavalutusalueet jne Kuva Kati Martinmäki Kunnostusojituksen vesiensuojelumenetelmiä • Vesiensuojelutoimet on harkittava tapauskohtaisesti, koska kunnostusojituskohteet ovat erilaisia. Käytettävien menetelmien valintaan vaikuttavat pääasiassa: – maaston kaltevuus, joka vaikuttaa veden virtausnopeuteen – maalaji, joka vaikuttaa maaperän eroosioherkkyyteen – valuma-alueen ja ojitusalueen laajuus, joka vaikuttaa virtaamien määrään – vesistöjen läheisyys – kunnostusojitusalueen alapuolisen vesistön erityiset suojelutarpeet – vesiensuojelumenetelmien toteuttamista hankaloittavat maanomistusolot. • Menetelmiä voidaan jakaa käyttötarkoituksen mukaan esim. 1. Ojakohtaiset / Ojitusalue -valuma-aluekohtaiset 2. Eroosiota vähentävät rakenteet / Irronnutta kiintoainesta kiinniottavat rakenteet Turvetuotannon vesiensuojelu • Perustaso – Sarkaojarakenteet – Laskeutusallas • Tehostettu taso – Virtaamansäätö – Pintavalutuskenttä/kosteikko – Kemiallinen käsittely Vesiensuojelumenetelmiä • Yleiset periaatteet: – Yksittäinen vesiensuojelutoimenpide ei ole riittävä – Vesiensuojelurakenteista muodostuu ketju, joka mahdollistaa tehokkaan vesienkäsittelyn Kuormituksen poistomekanismit • Laskeutus – kiintoaineen poisto, ravinteiden poisto – kok P suoraan verrannollinen kiintoainepitoisuuteen – kok N joskus verrannollinen kiintoainepitoisuuteen • Sorptio – Fosfaatin (PO4-P) poisto • Typen poisto nitrifikaatio-denitrifikaatio prosessissa • Kasvillisuuteen pidättyminen Ojakohtaiset rakenteet • Turvetuotanto – Sarkaojassa lietesyvennys ja päisteputki • Turvemetsätalous – Ojakohtaiset lietesyvennykset – Ojakatkot • Pidättävät kiintoainetta ojastoon ja lietesyvennyksiin • Tasaavat ojakohtaisia virtaamia • Ongelmana herkkä tukkeutuminen Laskeutusallas • Allas mitoitetaan siten, että kiintoainetta poistuu vedestä mahdollisimman tehokkaasti • Turvetuotantoalueilla kerääntynyt kiintoaines poistetaan säännöllisesti. Turvemetsäalueilla laskeutusaltaiden huolto jää usein tekemättä • Ongelmana toimivuus tulva-aikoina Kuva: Kaisa Heikkinen Pintavalutus • Vesi virtaa turpeen pintakerroksissa ja puhdistuu fysikaalisten, kemiallisten ja biologisten prosessien seurauksena • Hankaluutena löytää sopivia alueita – Ojitetut alueet – turvetuotanto – Riittävä pinta-ala – turvemetsätalous • Toimivuudessa eroja – Ojitus, maatuneisuusaste • Ongelmia turvetuotannossa – Edustava vesinäyte, ylä- ja alapuolella ”eri” vettä – Luontaisesti alhainen tai korkea kuormitustaso Kuva: Anssi Karppinen • Voidaanko vaatia suuria reduktioita pienille ravinne konsentraatioille? • Mikä on suon luontainen ravinnetaso, karu vs. ravinteikas suo – Virtamaanmittauksen ongelmat • Ei luotettava tulva-aikaan • Viime aikoina on saatu viitteitä siitä, että myös ojitetulle suoalueelle voitaisiin perustaa turvetuotannon valumavesiä puhdistava kosteikko Kemiallinen käsittely • Tehokas mutta kallis • Kemikaalijäämät ja pH –taso ongelmat alapuolisissa vesistöissä • Optimaalista toimintaa ja annostusta selvitetään • Lisää tietoa Jaakko Saukkoriipin esityksessä Ongelma! • Vesiensuojeluratkaisujen toimivuus heikko suurien virtaamien aikana jolloin suurin osa vuotuisesta kiintoaine ja ravinnekuormituksesta huuhtoutuu vesistöihin – Kevät tulvat, rankka sateet ja syksyn sateet – Ilmaston muutoksen myötä mm. rankkasateet tulevat yleistymään • Asettaa uusia haasteita vesiensuojeluun Virtaamaan vaikuttavat rakenteet • Settipadot • Säätöpadot • Putkipadot • Tarkoituksena vaikuttaa ylivirtaama aikaiseen vesimäärään – pienennetään eroosiovaaraa Virtaamansäätöpato turvemetsäojituksissa Riittävään viipymään tarvittava tilavuus ylivirtausputki Virtaamansäätöputki Sedimentti varasto Marttila, H & Kløve, B. 2009. Retention of sediment and nutrient loads with peak runoff control. Journal of Irrigation and Drainage Engineering,Vol. 134(2), 210216. Marttila H, Vuori K-M, Hökkä H, Jämsen J & Klöve B (in press) Framework for designing and applying peak runoff control structures for peatland forestry conditions . Forestry management and ecology Marttila H & Klöve B 2010. Managing runoff, water quality and erosion in peatland forestry by peak runoff control. Ecological engineering, 36(7), 900-911. Varastoi virtaamahuippuja väliaikaisesti ojituverkostoon Periaatteet: • Virtaamanhuiput leikkaantuvat • Eroosio vähenee • Pidentynyt viipymä mahdollistaa kiintoaineen takaisin laskeutumisen ojastoon • Ei liiallista tulvitusta, kuivatusolosuhteet on säilyttävä 4 SS [kg/d/ha] 3 Without peak runoff control With peak runoff control 2 1 0 26.4. 26.5. 26.6. 26.7. 26.8. 26.9. 26.10. • Keskimääräinen kiintoaineen reduction 82% KeskiSuomen kohteilla • Tehokkain virtaamahuippujen aikana, kuten suunniteltu Virtaamansäätö turvetuotannossa Virtaamansäätö turvetuotantoalueilla Virtaamansäädön vaikutukset turveojitusalueilla Kiintoaine (SS) Kokonaisfosfori (Ptot) Kokonaistyppi (Ntot) Reduktio (%) turvemetsätalous(1),(2) 54-86 30-67 65 Reduktio (%) turvetuotanto(3),(4) 61-95 47-88 45-91 (1) Marttila and Kløve, in press, (2) Amatya et al., 2003 (3) Marttila and Kløve, 2009, (4) Kløve, 2000. • Suurin vaikutus kiintoaineeseen ja siihen sitoutuneisiin ravinteisiin. • Hetkellisellä padottamisella ei vaikutusta puiden kasvuun (Hyttinen 2010) Hyttinen H (2010) Putkipatomenetelmän vaikutus kunnostusojitusalueen puuston kasvuun, opinnäytetyö, Seinäjoen ammattikorkeakoulu Virtamansäädön toimivuus erilaisilla ojitusalueilla? Virtaamansäädön toimivuus erilaisilla ojitusalueilla • • • Virtaamahuiput pienentyivät 10-91%, riippuen paikasta ja valunta tilanteista Toimivat hyvin etenkin suurien huippujen aikana Toimivuus riippuu – Valuma-alueen topografiasta ja olemassa olevasta pidätystilavuudesta – Rakenteen mitoituksesta ja sijoittamisesta – Valunta tilanteista Ohjeistus putkipatojen rakentamiseen • Rakentaminen • Mitoitus ohjeistus ja suositukset • Soveltuvuus erilaisille ojitusja valuma-alueille Työkaluja erilaisiin ongelmiin… Kaivukatkot ja pohjapadot kaltevilla paikoilla Lietekuopat ojaverkostossa Virtaaman säätö Laskeutusaltaat Virtaamansäätö yksi menetelmä muiden joukossa Pintavaluntakentät ja kosteikot Vesistöjen suojavyöhykkeet Kunnostusojituksen tekemättä jättäminen?  paras vesiensuojelukeino? • Kuivatus olosuhteet turvemetsätalouden olosuhteissa riippuvat kesällä – – – – – Puiden kokonais tilavuudesta Sadannasta Ojien syvyydestä Pohjois-Etelä sijainti Turpeen tiheys • Viimeaikaiset tulokset osoittavat että tietty puutilavuus riittää kuivattamaan maan haihdunnalla • Ei tarvetta kuivatustoimille Kuva: Hannu Hökkä Tulevaisuuden suuntaukset turvemetsätaloudessa • • • • Turhien ojitustoimien välttäminen Minimoidaan vaikutukset vesistöihin Pintavalutuksen lisääntyminen Virtaamansäädön ja muiden pidätysmenetelmien lisääntyminen Aina ongelmana ei ole orgaaninen kiintoaines! Ojitusalueilta latvavesistöihin • Puisia kunnostusrakenteita voidaan käyttää tehokkaasti latvavesien kunnostuksessa • Tulvituksen ja tulvatasanne yhteyden parantaminen auttaa kiintoaineen hallinnassa • Ohjeistus purojen kunnostukseen - Marttila H, Tammela S & Kløve B Hydraulic and geomorphological properties of siltated forest brooks in North-East Finland. Submitted to Boreal Environmental Research - Tammela S, Marttila H, Dey S & Kløve B. 2010 Effect and design of underminer structure. Journal of hydraulic research, 48(2), 188-196. Kiitos!