Virtaaman mittaamisesta

Edellisessä kirjoituksessa kerrottiin kuinka veden laatua seurataan, mutta tärkeää on myös tietää kuinka paljon vettä joessa virtaa. Kuulostaa äkkiseltään yksinkertaiselta, mutta tarkemmin kerrottuna on varsin mielenkiintoinen ja moniulotteinen asia. Miksi veden määrä pitää tietää ja kuinka sitä mitataan? Tästä kertoo SYKEn tutkimusinsinööri Jarmo Linjama.

Jo muinaiset roomalaiset olivat kiinnostuneita virtaavan veden määrästä. He nimittäin hoitivat vesihuoltoaan akvedukteilla, joita pitkin vuoristojäätiköiden sulamisvesi johdettiin kaupunkeihin. Rakenteet olivat valtavia ja kallistusta vain 2 cm kilometrillä. Melkoista insinöörityötä 2000 vuotta sitten – vetää vesi-insinöörin edelleen hiljaiseksi. Tosin Ramses II teetti orjillaan samanlaisia rakenteita Egyptissä jo 1200 vuotta aiemmin, mutta se on toinen juttu. Miten tämä liittyy virtaaman mittaamiseen? Ei välttämättä mitenkään muuten kuin että akveduktit piti mitoittaa kattamaan kaupungin vedentarve ja niiden kautta tulevaa vesimäärää todennäköisesti mitattiin seuraamalla kuinka kauan tietyn suuruisen vesisäiliön täyttyminen kestää. Ja sainpahan aloittaa tekstin roomalaisviittauksella.

Roomassa käytettyä virtaamamittausmenetelmää käytettiin sen keksimisen jälkeen noin 1500 vuotta. Kun haluttiin tietää paljonko vettä purossa lirisee, sitä voitiin yrittää arvioida silmämääräisesti. Jos purossa sattui olemaan pieni putous, tulos tarkentui työntämällä ämpäri alle ja laskemalla täyttymiseen kuluvat sekunnit.

Savijoen virtausta loppukesästä
Savijoen virtaamaa voi olla hankala arvioida silmämääräisesti. Kuva: Samuli Puroila

Suuren joen rannalla näistä konsteista ei ole apua. Virtaamaa kuitenkin pystyy arvioimaan, jos tiedetään uoman poikkileikkauspinta-ala ja veden virtausnopeus. Virtaama saadaan kertomalla nämä luvut keskenään. Suomessa tämä oivallettiin viimeistään 1700-luvun puolivälissä. Veden pinnalla kelluvan kohon tai muun roskan nopeus arvioitiin ja uoman syvyys luodattiin mittakepin avulla. Tulokset menivät useimmiten raskaasti yläkanttiin, koska virtausnopeus pinnalla on yleensä selvästi suurempi kuin poikkileikkauksessa keskimäärin.

Insinööri Woltmann esitteli potkurinkaltaiseen laitteeseen perustuvan virtaamanmittausmenetelmän Hampurissa vuonna 1790. Tämä Woltmannin siivikkona tunnettu laite on hieman muunneltuna edelleen käytössä, vaikkakin jo väistymässä uudempien menetelmien tieltä. Virta pyörittää potkuria ja pyörähdysten lukumäärä aikayksikössä voidaan muuntaa veden virtausnopeudeksi. Kun lisäksi mitataan uoman poikkileikkauksen ala, virtaama voidaan laskea. Woltmannin ’hydrometristä flyygeliä’ käytettiin Suomessa ensimmäisen kerran kesäkuun 25. päivänä vuonna 1862. Tuolloin Rokkalanjoen Patakoskessa, Viipurin läänin Johanneksen pitäjän Koskijärven kylässä virtasi vettä 80,0 kuutiojalkaa sekunnissa.

Purkautumiskäyrät – vedenkorkeuden ja virtaaman väliset suhdekäyrät – ovat virtaamatilastojen perusta. Käyrien avulla voidaan määrittää virtaamat vedenkorkeushavainnoista. Varhaisin säilynyt purkautumiskäyrä on Vuoksen virtaaman ja Saimaan vedenkorkeuden välille laadittu, vuodelta 1908. Virtaamatietojen määrittäminen purkautumiskäyrien avulla on säilynyt jokseenkin samanlaisena yli sata vuotta. Suomen jokien virtaamat tunnetaan keskimäärin vähintään viiden prosentin tarkkuudella, siis selvästi paremmin kuin vesitaseen muut tekijät.

Vertailualueen mittapato
Savijoen mittapadon avulla on joen yläjuoksun virtaamaa mitattu jo 1970-luvulta lähtien. Kuva: Eliisa Punttila

Purkautumiskäyristä päästään varsinaiseen aiheeseen eli virtaaman mittaukseen Savijoen alueella. Savijoen latvoilla on jo yli 40 vuotta ollut SYKEn tutkimusvaluma-alueiden verkkoon kuuluva mittapato, missä on virtaaman lisäksi mitattu monipuolisesti veden laatua. Mittapato on muodoltaan selkeä ja muuttumaton. Vedenpinnan korkeuden ja virtaaman välille on tällöin helppo muodostaa laskennallinen yhteys eli purkautumiskäyrä. Sen jälkeen tarvitsee vain mitata pinnankorkeutta padon yläpuolisessa patoaltaassa ja virtaama saadaan tästä reaaliajassa tietokantoihin. Kun lisäksi tiedetään mittapadon yläpuolisen valuma-alueen pinta-ala, voidaan virtaaman avulla helposti laskea valunta maa-alueilta (l/s/km2) eli se, kuinka paljon mittapadon yläpuoliselta alueelta valuu vettä uomaan aikayksikössä.

SAVE-hankkeen kahdessa muussa alempana uomassa sijaitsevassa mittauspisteessä (10-tie ja Bränikkälän silta) mitataan pinnankorkeutta, mutta virtaaman mittaaminen pelkästään pinnankorkeutta seuraamalla ei näissä kohteissa suoraan onnistu. Mittapato on kallis rakentaa eikä sen rakentamiseen saa helposti lupaa. Muutkaan yleisesti isommissa joissa käytetyt virtaamanmittausmenetelmät eivät ole tarkkoja näin pienessä uomassa. Purkautumiskäyrä, eli se, kuinka paljon vettä uomassa virtaa eri vedenkorkeuksilla, pitäisi silti määrittää ja sitä varten tarvitaan erilaisissa virtaamatilanteissa tehtyjä virtaamamittauksia.

Nykyaikainen virtaamanmittauslaitteisto
Modernilla laitteistolla mittaus onnistuu tarkasti ja nopeasti. Kuva: Samuli Puroila

Savijoen virtaamamittauksissa on käytetty suolapulssin etenemisen seurantaan perustuvaa virtaamamittausta. Menetelmän suurena etuna on se, että se soveltuu mainiosti pienille virtaamille sekä muodoltaan vaihteleville uomille. Lisäksi laitteisto on kevyt ja yhden tutkijan helposti käytettävissä.

Mittauksen idea ei ole uusi, mutta vasta nyt antureiden tarkkuus ja läppärin laskentateho on sillä tasolla, että tällainen nopea kenttämittaus on kustannuksiltaan järkevää. Idea on karkeasti seuraava: otetaan mittauspisteen kohdalta astiaan puoli litraa jokivettä ja mitataan sen sähkönjohtavuus. Sen jälkeen lisätään veteen pieniä annoksia suolaliuosta ja mitataan, mikä on sähkönjohtavuus kullakin pitoisuudella. Tällä tavoin muodostetaan yhtälö suolapitoisuuden ja sähkönjohtavuuden välille kyseisessä mittauspisteessä. Tämän jälkeen arvioidaan silmämääräisesti jokiuoman virtaama, otetaan virtaama-arvion mukainen, taulukon määrittelemä määrä suolaa ja liuotetaan se ämpärissä olevaan jokiveteen. Seuraavaksi laitetaan anturit veteen, mittaus käyntiin ja käydään kippaamassa suolaliuos ylävirran puolelle riittävän kauas.

Laitteisto mittaa sähkönjohtavuutta ja havaitsee heti kun suolapitoisuus alkaa vähänkin nousta. Suolapulssin edetessä mittauspisteen ohi sähkönjohtavuus ensin kasvaa ja sitten vähitellen palautuu mittausta edeltävään tasoon. Sähkönjohtavuuden muutoksen voimakkuuden ja suolapulssin pituuden ja etenemisnopeuden perusteella läppärillä oleva ohjelma laskee, mikä on ollut se vesimäärä, johon ylävirtaan kipattu suola on sekoittunut, jotta kyseinen johtavuuskäyrä toteutuu. Tämän perusteella saadaan virtaama.

Suolaa liuotetaan jokiveteen
Modernitkin menetelmät vaativat kuitenkin yksinkertaista kenttätyötä. Vasemmalla allekirjoittanut, oikealla Petri Ekholm. Kuva: Samuli Puroila

Tätä kirjoittaessani on ollut pitkään varsin kuivaa yhtä sadetta lukuun ottamatta. Tuo sade oli voimakkuudeltaan juuri sellainen, että virtaama Savijoessa ei mainittavasti noussut, mutta ravinteita kulkeutui peltojen pintakerroksista vesiin. Tällaisissa tilanteissa vesinäytteiden antamat tulokset saattavat olla varsin rajun näköisiä, kun pelloilta valuva väkevä vesi sekoittuu joen pieneen vesimäärään. Itämeren kannalta tällainen tilanne ei juuri huolestuta. Ravinnekuormitus on pitoisuuden ja virtaaman tulo, ja kun virtaama on pieni, kuormituskin pysyy pienenä. Toisaalta suuri virtaama yhdistettynä pieneenkin pitoisuuteen saattaa kuormittaa Itämerta aivan eri tavalla. Tätä varten on tässäkin hankkeessa välttämätöntä tietää virtaama tarkasti ja siinä suolapulssimittaus on osoittautunut oivalliseksi välineeksi.

Kiitokset Veli Hyväriselle ja Esko Kuusistolle virtaamanmittausten historiaan liittyvistä avuista!

Tutkimusinsinööri Jarmo Linjama
Suomen ympäristökeskus (SYKE)
Vesikeskus / Hydrologinen seuranta

Savijokea seurataan 24/7 – miltä näyttää?

Petri Ekholm, Erikoistutkija, Suomen ympäristökeskus

SAVE-hanke seuraa Savijoen vedenlaatua ja -määrää kolmella havaintopaikalla. Savijoen yläjuoksun vertailualueelta, jossa kipsiä ei käytetä, on otettu vesinäytteitä jo 1960-luvulta lähtien. Kipsinlevitysalueella sijaitsevien Yliskulman ja Parmanharjun asemat ovat SAVE-hankkeen varta vasta perustamia. Luode Consultingilta vuokratut automaattiset anturit ovat mitanneet kaikilla kolmella asemalla vedenlaatua kerran tunnissa aina tämän vuoden helmikuusta lähtien. Aineisto varastoidaan dataloggeriin ja siirretään verkkoon, josta veden pinnankorkeus sekä sameus, sähkönjohtavuus, lämpötila ja liuenneen orgaanisen hiilen pitoisuus on nähtävissä lähes välittömästi.

Mittapato talvella
Vertailualueen mittausasema talvella. Kuva: Mikko Kiirikki

Nyt seuraa tiivis opetustuokio vedenlaadun indikaattoreista. Sameus kuvaa valon sirontaa veden hiukkasista. Silmin havaittavan sameuden lisäksi se kuvaa veden kiintoaineen ja siihen sitoutuneen fosforin määrää. Kun sameusarvo on esimerkiksi 1000 FTU:a, niin vedessä on kiintoainetta noin 1 gramma litrassa ja kiintoaineeseen sitoutunutta fosforia 1,4 milligrammaa litrassa. Tällöin vesi on käytännössä läpinäkymätöntä. Sameuden yksikkö, FTU, viittaa sameaan yhdisteeseen, formatsiiniin, jonka avulla mittarit kalibroidaan (FTU = Formazin Turbidity Unit). Sähkönjohtavuus taas kertoo veteen liuenneiden ionien, ”suolojen”, määrän. Sen perusteella arvioidaan sulfaattipitoisuutta ja sitä kautta kipsin vähittäistä huuhtoutumista pelloilta. Lämpötila antaa viitteitä siitä, onko Savijoessa virtaava vesi pintavaluntavettä vai pohjavettä. Liuennut orgaaninen hiili kuvaa veden humusaineiden pitoisuutta. Anturit mittaavat myös Savijoen pinnankorkeuden, jonka perusteella määritetään veden valunta. SAVE-hankkeessa vedenlaatua tutkitaan suhteessa valuntaan, sillä pelloilta tuleva kuormitus riippuu ratkaisevasti valunnasta.

Eli: sameus, sähkönjohtavuus, lämpötila, orgaaninen hiili ja pinnankorkeus. Pysyitkö mukana? Hyvä!

Anturit tuottavat hyvin luotettavia tuloksia: ne on kalibroitu laboratoriossa erittäin tarkasti, ja maastossa mittareiden puhtauden takaa sensoreiden järeä harjaspuhdistus, joka poistaa optisilta pinnoilta roskat ja vedessä helposti muodostuvat biofilmit. Tämän lisäksi mittareita huolletaan parin viikon välein ja kalibroidaan kaksi kertaa vuodessa. Mittalaitteiden laadusta tutkimuksen onnistuminen ei siis jää kiinni!

Automaattinen sensori
Automaattiset sensorit mittaavat Savijoen vedenpinnan korkeutta sekä veden lämpötilaa, sameutta, suolaisuutta ja liuennutta orgaanisen aineksen pitoisuutta kerran tunnissa. Kuva: Mikko Kiirikki

Automaattisilla antureilla ei kuitenkaan saada vedenlaadusta kokonaiskuvaa. Siksi Savijoesta otetaan muutamia kertoja kuukaudessa myös vesinäytteitä, joista analysoidaan Rambollin Lahden laboratoriossa pitkä lista vedenlaatua kuvaavia muuttujia. Ehkä tärkein näistä on liuennut fosfori, jota ei – lukuisista yrityksistä huolimatta – edelleenkään voida määrittää automaattisilla sensoreilla. Liuennut fosfori on sataprosenttisesti leville käyttökelpoista, ts. täysin rehevöittävää fosforia. Maa-ainesfosforin sen sijaan on ensin vapauduttava liuenneeseen muotoon, jotta levät ja muut vesien perustuottajat voisivat sen käyttää hyväkseen. Kipsikäsittelyn toivotaan vähentävän niin liuenneen kuin maa-ainesfosforinkin kulkeutumista pelloilta vesiin. Myös liuenneen orgaanisen hiilen pitoisuuden odotetaan laskevan. Toive on, että pitoisuudet laskisivat erityisesti runsasvetisinä kausina, jolloin suurin osa ravinteista kulkeutuu vesiin.

Kun merkittävä osa kipsistä on nyt jo levitetty Savijoen pelloille, voidaanko kipsikäsittelyn tehosta sanoa jo jotakin?

Tämä syksy on ollut varsin kuiva ja Savijoen vesi on ollut melko kirkasta niin kipsin levitysalueella kuin vertailualueellakin. Lokakuun alussa saatiin kuitenkin jonkin verran sateita. Tulokset tuolta ajalta ovat rohkaisevia. Savijoen yläjuoksulla, jossa kipsiä ei siis ole käytetty, sameus nousi arvoon 68 FTU. Se ei toki ole paljon samealle Savijoelle, mutta kipsin levitysalueella sameus oli vieläkin matalampi: korkeimmillaan 31 FTU ja usein reilusti alle puolet siitä mitä yläjuoksun vertailualueella. Vesi vaikuttaa siis kirkastuneen ja myös orgaanisen hiilen pitoisuus on ollut kipsinlevitysalueella selvästi matalampi.

”Tulokset ovat rohkaisevia.”

Johtopäätelmiä kipsin tehosta joudutaan kuitenkin odottamaan pitkään, Savijokea seurataan vielä ainakin kaksi vuotta. Ensimmäisistä kunnon syyssateiden aiheuttamasta valuntapiikistä voidaan tosin päätellä jo paljon enemmän. Valuntapiikkiä voidaan kuitenkin joutua odottamaan, sillä seuraavatkin 10 vuorokautta ovat sääennusteen mukaan kuivia.

Tutkija kipsissä

Vanha keino vai pussillinen uusia?

Petri Ekholm, Erikoistutkija, Suomen ympäristökeskus

Maatalouden fosforipäästöt ovat laskeneet, mutta eivät riittävästi vesien kannalta. Tehokkaille fosforin vähennysmenetelmille on siis tarvetta. Maatalouden vesiensuojelutoimet voitaneen jakaa kolmeen ryhmään. Ensimmäiseen kuuluvat ikivanhat toimet, joilla parannetaan maan kasvukuntoa ja rakennetta, jolloin hyvän sadon mukana poistuu paljon ravinteita ja maa kestää eroosiota. Toinen ryhmä koostuu ympäristökorvausjärjestelmästä tutuista menetelmistä, esimerkiksi talviaikaisesta kasvipeitteisyydestä, tasapainoisesta lannoituksesta, kosteikoista ja suojavyöhykkeistä. Kolmas ryhmä voitaisiin nimetä nykyjargonin mukaisesti innovatiivisiksi menetelmiksi, joissa esimerkiksi teollisuuden sivuvirtojen avulla estetään ravinnepäästöjä.

Peltojen kipsikäsittely voisi kuulua kaikkiin kolmeen ryhmään. Kipsiä on käytetty iät ajat maan rakenteen parantajana, mutta sen käyttö fosforipäästöjen hillitsijänä on uutta, ja olisi suotavaa, että se kuuluisi ympäristökorvauksen piiriin. Vantaanjoen latvoilla sijaitsevan Nummenpään kylän pelloilla tehdyssä pilotissa[1] kipsi vähensi sekä liuenneen että maa-ainesfosforin kulkeutumista pelloilta vesiin ja sitoi maahan hiiltä. Se vaikutti soveltuvan tilalle kuin tilalle ja oli muihin fosforin vähentämismenetelmiin verrattuna ylivoimaisen kustannustehokas.

Kipsiä levitetään Nummenpään pelloilla tehdyssä pilotissa. Kuva: Sakari Alasuutari

Savijoesta Savejoki

Nummenpään lupaavia tuloksia koetellaan Lounais-Suomen Savijoella. SAVE-hankkeen perusidea on yksinkertainen: levitetään kipsiä pelloille niin laajalti, että tulokset kertovat luotettavasti kipsin tehon ja mahdolliset haittavaikutukset sekä antavat tietoa siitä, miten kipsin kuljetus ja levitys käytännössä onnistuvat ja miten viljelijät menetelmän kokevat.

Kipsin vaikutuksen arvioimiseksi Savijoen perusnäytteenottoa on täydennetty asentamalla jatkuvatoimiset vedenlaatuanturit Savijoen keskijuoksulle Yliskulmaan ja Parmanharjulle. Lisäksi joesta otetaan runsaasti vesinäytteitä, joista analysoidaan monenlaisia vedenlaatua kuvaavia muuttujia. Alueelle pyritään houkuttelemaan myös muuta tutkimusta synergiaetujen vuoksi, ja niinpä esimerkiksi torjunta-aineiden kulkeutumista tutkitaan tehostetusti Savijoella. Parhaillaan Savijoen seurannassa on menossa ennen kipsiä –jakso, johon kipsin levityksen jälkeisen ajan tuloksia tullaan vertaamaan.

Savijoen virtaamaa mitataan ns. pöytäsuolamenetelmällä Kuva: Petri Ekholm

Odotettavissa kirkastuvaa

Jos kipsin levitys toteutuu suunnitellusti syksyllä 2016, Savijoen keskijuoksun vesi lienee tulevana syksynä aiempaa kirkkaampaa, mutta yläjuoksun kipsitön vertailualue pysyy totutun sameana. Tutkimuksessa, joka tehdään säiden armoilla, voi sattua yllätyksiä. Syksy 2016 voi olla vaikkapa ennätyksellisen kuiva, mikä kyllä helpottaisi kipsin levitystä, mutta jokivesi olisi kirkasta ilman kipsiäkin. Päivästä, viikosta, kuukaudesta ja vuodesta toiseen vaihtelevat sääolot pyritään ottamaan huomioon tilastotieteellisellä mallilla. Perusideana on vedenlaadun suhteuttaminen veden virtaukseen ja oletuksena se, että tietyn suuruisella virtauksella jokivesi on kipsin levityksen jälkeen kirkkaampaa kuin se oli ennen kipsiä vastaavansuuruisella virtaamalla. Vedessä olisi vähemmän niin maahiukkasiin sitoutunutta kuin suoraan rehevöittävää liuennutta fosforia. Jos näin todella tapahtuu eivätkä esimerkiksi sulfaatin toksisuustestit paljasta epämiellyttäviä yllätyksiä, tulokset antavat hyvän tietopohjan vieläkin laajemman kipsikäsittelyn toteuttamiseen. Niin laajan, että rannikkovesiin päätyvän fosforin määrää saadaan kunnolla vähennettyä, ja ehkä Saaristomeren rannikkovedetkin vähitellen kirkastuvat.

[1] Kipsipohjaiset tuotteet maatilojen fosforikuormituksen vähentämiseen, TraP-hanke (2007–2013)