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

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista.