POHJAVESIGEOLOGIA

1. POHJAVESIGEOLOGIA eli hydrogeologia Muistiinpanot perustuvat kirjoihin: Korkka-Niemi, K. j& Salonen, V.-P. 1996. Maanalaiset vedet – pohjavesigeologian perusteet. Täydennyskoulutuskeskus. Turun yliopisto 181.s. Mälkki. E. 1999. Pohjavesi ja pohjaveden ympäristö. Tammi 304 s.

2. MÄÄRITELMIÄ • hydrologia = luonnontiede, joka tutkii maapallon vesiä, niiden esiintymistä, kiertoliikettä ja jakautumista, vesien kemiallisia ja fysikaalisia ominaisuuksia ja niiden vuorovaikutusta ympäristön kanssa, mukaan luettuna ihmisen toiminnan vaikutus vesiin. • geohydrologia = tutkii hydrologista kiertoa maanpinnan alapuolella, veden kemiallisia ja fysikaalisia ominaisuuksia sekä vaikutuksia ympäristöön ja suhdetta elolliseen toimintaan. • hydrogeologia eli pohjavesigeologia tutkii geologisten tekijöiden vaikutusta pohjaveden fysikaaliseen käyttäytymiseen, lähinnä sen alueelliseen esiintymiseen ja kemialliseen koostumukseen. Hydrogeologiassa tutkitaan myös pohjavesivaroja ja niiden hyödyntämistä. • pohjavesi = maankamaran vapaa vesi vedellä kyllästyneessä vyöhykkeessä. Pohjaveteen luetaan usein myös vesi, joka virtaa maaperän kyllästymättömän vyöhykkeen läpi vedellä kyllästettyyn vyöhykkeeseen.

3. VESI - H2O • -vesimolekyyli koostuu kahdesta vety- ja yhdestä happi- • atomista • -rakenteeltaan dipooli, jossa vetyatomit muodostavat • 104,5° kulman • jokainen vesimolekyylin vetyatomi on liittynyt vierei- • sien vesimolekyylien happiatomiin vetysidoksin ja dipooli- • dipoolisidoksin • NTP:ssä vesi esiintyy nesteenä • korkea sulamis- ja kiehumispiste, suuri pintajännitys ja • lämpökapasiteetti • kiinteänä keveämpää kuin nesteenä • vesi hyvä liuotin, suuri pintajännitys, suuri ominais- • lämpö, korkea sulamis- ja kiehumispiste

4. VESI MAAPALLOLLA - maapallo syntyi noin 5 miljardia v. sitten - alkumaapallon ilmakehä koostui lähinnä metaanista, vesihöyrystä, typestä, hiilidioksidista, vedystä ja ammoniakista - maapallon jäähtyessä vesihöyry tiivistyi ja jo n. 4 miljardia v. sitten maapal- lolla oli meriä, järviä, jokia ja myös pohjavettä - n. 3,5 miljardia v. sitten primitiivisiä eliöitä; syanobakteerit kehittivät fotosynteesin l. hiilidioksidin ja veden pelkistyminen hiilihydraateiksi ja hapeksi aunringon energian avulla - n. 2,2 miljardia vuotta sitten alkoi vapaata happea kehittyä ilmakehään; aiemmin vapautunut happi kului merien vapaan raudan hapettumiseen ja sa- ostumiseen sekä maan pinnan kivien hapettumiseen

5. VESI MAAPALLOLLA • alkuperäisen veden lähteitä on laattatektoniikkaan liittyvä vulkanismi, joka vapauttaa suuria määriä kaasuja ja etenkin vesihöyryä • yhteyttämisen kautta syntyvä happi reagoi vulkaanisessa toiminnassa vapautuvan vedyn kanssa muodostaen vettä • juveliininen vesi = kivien sulaessa vapautuva vesi • toinen alkuperäisen veden lähde on mineraalien rapautuminen maan pinnalla • meteorinen vesi = ilmakehän kierrossa mukana ollut vesi • vettä poistuu sedimentaation ja subduktion myötä takaisin maankuoreen

6. VEDEN KIERTOKULKU • -500 miljoonan v. aikana veden kiertokulussa ei ole ollut suuria muutoksia • ilmakehässä oleva vesi tiivistyy ja sataa • maanpinnalle vetenä, lumena ja sumuna • osa haihtuu, osa jää matereille ja meriin • osa imeytyy maa- ja kallioperään • maaperään imeytynyt vesi muodostaa • maavettä tai pohjvettä ja voi palata takaisin maanpinnalle kapillaarivoimien ja kasvillisuuden vaikutuksesta • - suureen kiertokulkuun sisältyy useita • lyhyitä veden kiertoja ilmakehän, maan- • pinnan, pintavesien, jäätiköiden, maa- ja • kallioperän sekä kasvillisuuden välillä • hydrologisen kierron perussuureita ovat • sadanta, haihdunta ja valunta

7. VIIPYMÄ ILMAKEHÄSSÄ SO2muutama tunti H2O 10 vrk. CH4 3 – 8 v. CO2 10 v. O2 600 v. N2400 milj. v.

8. VESITASEYHTÄLÖ P = Q + E + ΔS P= SADANTA Q= VALUNTA E= HAIHDUNTA ΔS= ALUEELLE VARASTOITUNUT VESI

9. MAAPALLON VESIVARAT- sadannasta imeytyy pohjavedeksi n. 75%- n. puolet pohjavesistä on yli 1 km syvyydessä- ns. matalapohjavesivarantoja vain n. 0.31% pohjavesistä

10. SUOMEN VESIVAROISTA • Suomen pintavesivarat n. 230 miljardia kuutiometriä • Suomen maa- ja kallioperän vesivarat n. 700 miljardia kuutiometriä • helppokäytttöisiä pohjavesiä Suomessa n. 1,8 miljardin kuutiometrin/v • vuotuisesta pohjavesivarannosta on käytössä n. 16% • esim. USA:n länsiosissa vuotuinen varasto 100%:sti käytössä • esim. Espanjassa, P-Afrikassa ja Lähi-Idässä pohjavesiä käytetään enemmän kuin niitä ehtii muodostua

11. POHJAVEDEN MUODOSTUMINEN • tarkoitetaan maanpinnan alle imeytyvää, pohjavesivyöhykkeeseen kulkeutuvaa vettä • sadanta ja vesitöt säätelevät pohjaveden muodostumista • maa- ja pohjaveden määrään vaikuttaa sadanta ja etenkin lumen sulaminen • Suomessa n. puolet sateesta (300 – 400 mm/v) imeytyy maaperään ja vain pieni osa tästä määrästä suotautuu pohjavedeksi • paikalliset olosuhteet (maa- ja kallioperän vedenjohtavuus, sateen määrä ja kesto, maaston muoto ja kaltevuus, maapinnan laatu, kasvillisuus, päällystäminen ja viemäröinti) muuttavat suurestikin veden imeytymistä • jos olosuhteet hydrologisesti ja geologisesti ovat suotuisat sadannan imeytyminen voi olla lähes sataprosenttista

12. SADANNAN SUOTAUTUMINEN • E-Suomen sora-alueilla pohjavedeksi suotautuvan veden osuus voi olla jopa 60 – 75% sadannasta, Keski-Lapissa sora-alueilla 42 – 61% • pohjaveden muodostuminen moreenialueilla riippuu moreenin rakenteesta ja kasvillisuudesta; normaaleilla pohjamoreenialueilla 10 – 30% sadannasta ja karkearakeisilla moreenimailla jopa yli 50% sadannasta suotautuu pohjavedeksi • hienorakeisten sedimenttien alueella sadannasta vain murto-osa suotautuu pohjavedeksi (silttiin ja kerralliseen saveen vain tapahtuu hieman imeytymistä mutta kapillaari-ilmiön vuoksi vesi palautuu maan pinnalle ja haihtuu ilmakehään) • joillakin savikoilla vettä poistuu maaperästä enemmän kuin sitä sinne sataa (alavia alueita – pohjavesi paineellista sutautuen savikoilla kohti maan pintaa haihtuen ilmakehään) • turvekerrostumiin imeytyy sadannasta 80 – 90% (ei pintavalumaa) mutta suuri haihtuminen aiheuttaa sen, että pohjavedeksi suotautuu vain n. 30 – 40% sadannasta • kalliopaljastumat edistävät pohjaveden muodostumista, myös ruhjealueet

13. PERUSKÄSITTEITÄ • huokoisuus: n (%) = 100 x (Vv / Vt) (huokostila / huokoisen aineen koko tilavuus prosentteina) • tehokas huokoisuus: ne = n – (numpi + nhyg) • huokosluku: e = Vv / Vs (huokostila / kiinteän aineen tilavuus) • maa- ja kallioperän huokostila voidaan jakaa primäärihukosiin ja sekundäärihuokosiin • maa-aineksen huokoisuus riippuu raekoosta, maalajin tiivistyneisyydestä, rakeiden muodosta ja järjestäytyneisyydetä, lajittuneisuus parantaa huokoisuutta • kallioperän huokoisuus riippuu tiivistymisestä, sementoitumisesta ja liukenevuudesta ja etenkin rakoilusta • mineraalimaalajin huokoisuus on yleensä 30 – 60% (moreeni max. 17%, tasarakeinen hiekka 25 – 50%, huokoisuus pienenee alaspäin mentäessä etenkin savissa), turpeilla jopa 90%, kallioperässä 0,1 – 0,5% (ruhjeissa 0 – 10%), kallkikivessä 0 -20% (karsti 5 – 50%)

14. PERUSKÄSITTEITÄ • veden sitoutuminen maarakeisiin: • gravitaatio- l. vajovesi on painovoiman vaikutuksesta alaspäin liikkuvaa vettä • kapillaarivesi on kiinnittynyt maarakeiden pinnalle ja väliin pintajännitysvoimin ja on kasvien käytettävissä • hygroskooppinen vesi on elektronisesti sitoutunut maahiukkasten pinnalle ohuena kerroksena, kuiva maa sitoo sitä ympäröivästä ilmasta, ei kasvien hyödynnetttävissä • adsorptiovesi muodostuu muutaman kymmenen vesimolekyylin vahvuisesta, vesimolekyylien veto- ja kiinnitysvoimien sitomasta vaipasta maarakeiden pinnalla • kidevesi on mineraaleihin rakenteellisesti sitoutunutta vettä, runsaasti savimineraaleissa (100°C - 400°C kuumennus vapauttaa kideveden)

15. PERUSKÄSITTEITÄ • MAAVEDEN JÄNNITYS l. vettä sitova alipaine = veden ja ilman paine-ero maaperässä, ilmaistaan pF-luvulla • vapaan pohjaveden pinnassa paine on sama kuin ilmakehän paine • paine kasvaa kasvaa pohjaveden pinnasta alaspäin; vapaan pohjaveden pinnan yläpuolella vedellä on pienempi paine kuin ilmakehässä • pF luvun ollessa pieni sitä heikommin vesi on sitoutunut • esim. pF = 4 tarkoittaa, että vesi on sitoutunut maahan alipaineella, joka vastaa 10 000 cm korkean vesipatsaan painoa • VESIPITOISUUS = maa-ainestilavuudessa oleva vesi / koko maa-ainestilavuus • ilmaistaan tilavuus- tai painoprosentteina • kenttäkapasiteetti = vesipitoisuus, joka jää maalajiin, kun vedellä kyllästyneestä maasta poistuu vesi painovoiman vaikutuksesta (pF = 1,5 – 2,0) • lakastumisraja = vesipitoisuus, jossa kasvit eivät pysty hankkimaan vettä; riippuu kasvista, ilmastosta ja maalajista • hygroskooppisuuskerroin = suurin kosteus, jonka maa absorboi ilmasta (ilman kosteus 50% ja lt 25°C; pF = 5,2)

16. OMINAISANTOISUUS (Sy ) = vesimäärä, joka keskimäärin poistuu alkuperäisen ja alennetun pohjaveden pinnan välillä olevan maapilarin tilavuusyksiköstä, kun pohjaveden pintaa alennetaan yhden tilavuusyksikön verran; ilmoitetaan yleensä prosentteina ja vaihtelee luonnossa 1 – 30% • OMINAISPIDÄTTYMINEN (Sr ) = maahan vastoin painovoiman vaikutusta jäävä veden osuus (%) • Sy + Sr = n • huokoisuus (n) on pieni karkeissa lajittuneissa maalajeissa ja suurin hienoissa lajittuneissa maalajeissa mutta hienoissa maalajeissa (kuten savessa) Sr on suuri, josta johtuen savet ja hienot lajittuneet maalajit ovat huonoja pohjavesivarastoja • se miten paljon muodostuma voi pidättää vettä, ei siis kerro sitä, kuinka paljon muodostuma voi luovuttaa vettä

17. POHJAVESIGEOLOGISET VYÖHYKKEET • maa-tai kallioperän avoin tila voi olla veden osittain kyllästämä, jolloin vettä tässä vyöhykkeessä kutsutaan vadoosiksi vedeksi l. maavedeksi • maaperän tai kallioperän ollessa kokonaan kyllästynyt vedestä kutsutaan tätä vyöhykettä freaattiseksi vedeksi l. pohjavedeksi • freaattisen veden yläpintaa kutsutaan pohjaveden pinnaksi • maan kyllästysasteen mukaan maaperä voidaan vertikaalisuunnassa jakaa neljään vyöhykkeeseen juurivyöhyke = maakerros, johon kasvien juuret yltävät (tavallisesti alle 1 m) • juurivyöhykkeeseen vettä imeytyy sadannasta, kastelusta ja pintavesistä • ilman lt, kosteus ja routa vaikuttaa imeytyvän veden määrään; maanpinnan haihdunta, kasvien hengitys aiheuttaa veden liikkumista myös ylöspäin • vyöhykkeessä esiintyy vapaata vettä, kapillaarivettä ja hygroskooppista vettä

18. välivyöhyke = maakosteusvyöhyke juurivyöhykkeen ja kapillaarivyöhykkeen välillä • voi olla kymmeniä metrejä paksu tai puuttua kokonaan • vyöhykkeessä vapaata vettä ja adsorptiovettä kapillaarivyöhyke = kapillaarivoimien ansiosta osittain tai kokonaan vedestä kyllästynyt vyöhyke • paksuus riippuu keskimääräisestä raekoosta; hienorakeisessa, tasalaatuisessa maalajissa vyöhyke voi olla jopa yli 3 m paksu, karkearakeisessa maalajissa puuttuu lähes kokonaan pohjavesivyöhyke = vedellä kyllästynyt vyöhyke • alkaa pohjaveden pinnasta ja ulottuu niin syvälle kuin maarakeiden väliset huokoset ovat toistensa kanssa yhteydessä; kiteisen kallioperän alueella n. 150 – 250 m syvyyteen • vesi virtaa pohjavesivyöhykkeessä lähes vaakasuoraan ja pohjaveden pinnan suuntaisesti

19. POHJAVEDEN PINTA • pohjaveden pinta noudattaa pääosin maanpinnan korkokuvaa • pohjaveden pinta yhtyy maanpintaan vesistöissä, soilla, lähteillä; muodostuvan pohjaveden määrä ja kerrosten vedenjohtavuus määräävät kaltevuuden, johon pveden pinta asettuu purkautumistasojen yläpuolella • pohjaveden pinta on Suomessa noin 2 – 4 m syvyydellä, tosin ympäristöstään kohoavilla harjualueilla se voi olla jopa 30 – 50 m syvyydellä • pohjaveden pinnan vaihtelut riippuvat lähinnä sadannasta ja haihdunnasta • vapaan pohjaveden pinnan tasossa paine on yhtäsuuri kuin ilamkehän paine, joten myös muutokset ilmakehän paineessa vaikuttavat pohjaveden pinnan tasoon • muita tekijöitä, jotka vaikuttavat pohjaveden pinnan tasoon ovat vedenotto, rakentaminen, ojittaminen, vuorovesi ja tuulet • korkeimmillaan pohjaveden pinnan taso on lumien sulamisen aikaan ja syyssateiden aikana; alhaisimmillaan talvella (routa ja lumi) ja kesällä (haihdunta suurta)

20. POHJAVEDEN VARASTOITUMINEN • pohjavesivaraston laajuus ja paksuus riippuu hydrologisista tekijöistä (tärkein sadanta) ja geologisista tekijöistä (tärkeimmät alustan topografia, maakerrosten hydraulinen johtavuus, maanpinnan ja pohjaveden purkuvesistön välinen korkeusero) • pitkällä aikavälillä pohjavesivarastot ovat tasapainossa (input = output) • Suomessa pohjavesikerroksen paksuus on suoraan verrannollinen maaperämuodostuman paksuuteen ja pohjavettä muoodstavan alueen pinta-alaan, pieneen vedenjohtavuuteen • karkearakeisissa maalajeissa vähintään 5 – 10 m, ohuilla moreenimailla muutama metri ja savi-siltti ja turvemailla pääosa maaperästä • kallioalueilla kyllästynyt kerros rakosysteemeissä (< 100 m), yleensä 0.1 – 0.5% vettä kokonaistilavuudesta

21. AKVIFERI, AKVIKLUDI, AKVITARDI akviferi = pohjaveden kyllästämä ja vettä hyvin johtava maa- tai kivilajiyksikkö • akviferit ovat siis hydraulisesti yhtenäisiä muodostumia, jotka antavat käyttökelpoisen määrän vettä akvikludi = geologinen yksikkö, joka varastoi hyvin vettä mutta johtaa sitä erittäin huonosti akvitardi = maa- tai kivilajimuodostuma, joka varastoi vettä mutta ei anna käyttökelpoista määrää vettä • akvitardin vedenjohtavuus on kuitenkin niin merkittävä, että muodostumasta tihkuvalla vedellä on merkitystä akviferien vesivarastojen täydentäjänä

22. AKVIFERIT • Suomen pohjavesivaroista 95% sijaitsee huokoisissa ja karkearakeisissa sora- ja hiekka-akvifereissä (vedentuotto vaihtelee 200 – 10 000 m3/vrk) • Suomen akviferit ovat yleensä pienimuotoisia ja kalliokynnäiden rajaamia sijaiten harjuissa ja reunamuodostumissa • kallioakviferit liittyvät kallioperän ruhjevyöhykkeisiin (antoisuus muutama sata kuutiometriä vuorokaudessa) • vapaa akviferi = akviferin pinta ei rajoitu vettä läpäisemättömään kerrokseen tai muuhun akvikluudiin; akviferin sisältämä vesi on vapaata eli akviferin yläpinnanssa veden paine on ilmakehän paineen suuruinen • paineellinen akviferi = vesi rajoittuu akviferin yläpuolella ja alapuolella vettä läpäisemättömään kerrokseen, jolloin akviferin pinnalla olevan veden paine on suurempi kuin ilmakehän paine • pietsometrinen taso = se taso johon paineellinen pohjavesi voi purkautua • paineellista pohjavettä esiintyy yleensä harjujen liepeillä saven salpaamana ja Pohjanmaan savipeitteisissä harjuissa • SS:ien distaalipuolella orsivesiä ja proksimaalipuolella paikallisten moreenipatjojen alaisia salpavesiä

23. POHJAVEDEN MUODOSTUMISALUE • alue, josta sade- ja pintavedet kertyvät muodostaen pohjavesialtaan • useita pohjaveden muodostumisalueita erottaa toisistaan pohjaveden jakajat (pohjaveden jakajien sijainti voi poiketa pintavesien jakajista ja ne voivat muuttua pumppauksen ja imeytyksen vaikutuksesta) • eri puolilla pohjaveden jakajia pohjaveden pinnan tasot kallistuvat eri suuntiin • vedenpinnan kaltevuus riippuu maakerrosten vedenjohtavuudesta ja virtaamasta – kaltevuus on sitä suurempi, mitä huonommin kerros johtaa vettä • saman pohjavesialtaan piirissä saattaa olla useita toistensa kanssa yhteydessä olevia akviferejä • pohjavesialtaan vedenpinnan tason määrää kallio tai huonosti vettä johtavat maakynnykset sekä soiden ja vesistöjen pinnat

24. POHJAVEDEN LIIKE • Pohjaveden virtausnopeus – maassa oleva vesi virtaa suuremmasta painekorkeudesta pienempään pohjaveden pinnan vieton suuntaan • hydraulinen gradientti: I = H / L • Darcyn yhtälö kuvaa pohjaveden virtausta maaperässä osoittaen, että maakerroksen läpi kulkeva vesimäärä tietyssä aikayksikössä (eli virtaama) on suoraan verrannollinen hiekkakerroksen poikkipinta-alaan ja hydrauliseen gradienttiin DARCYN LAKI : Q = K x A x I Q = virtaama A = poikkipinta-ala K = vedenjohtavuuskerroin K-arvo voidaan määrittää kentällä kokeellisesti esim. koepumppauksella mutta useimmiten maa-aineksen vedenjohtavuus määritetään laboratoriossa

25. vedenjohtavuuskerroin eli vedenläpäisevyyskerroin on kullekin ainekselle ominainen suure ja K-arvo on tärkein yksittäinen parametri, jolla voidaan kuvata pohjavesiolosuhteita • vedenjohtavuus on tasalaatuisessa väliaineessa yhtä suuri kuin virtaamanopeus, kun hydraulinen gradientti on yksi • vedenjohtavuus kuvaa nesteen virtausvastusta huokoisessa väliaineessa ja vedenjohtavuuteen vaikuttavat etenkin nesteen ominaispaino ja viskositeetti, huokoisen aineen ominaisuudet (l. raekoko, raemuoto, huokoisuus ja tehokas huokoisuus) ja väliaineen tiiviys

26. K-arvot vaihtelevat samassakin maalajissa varsin paljon ja samassa akviferissa on suuria virtausnopeusvaihteluja kerrosten epäjatkuvuuden ja aineksen heterogeenisuuden vuoksi • luonnossa pohjaveden tehokas virtausnopeus vaihtelee 1,5 m /v – 15 m/vrk • pohjaveden hydraulisen gradientin ollessa suuri karkeassa väliaineessa voi virtausnopeus olla jopa cm/s eli n. 900 m /vrk • moreenimuodostumissa pohjaveden pinta noudattaa topografiaa ja hydraulinen gradientti on luokkaa 1/100 kun taas pitkittäisharjuissa pohjaveden pinta voi olla melkein vaakatasossa gradientin ollessa 1/700 – 1/800 • yleensä virtausta tapahtuu paremmin horisontaalisuunnassa

27. POHJAVEDEN VIRTAUSSUUNTA • pohjavesi on jatkuvasti hitaassa liikkeessä • pohjaveden virtaus suuntautuu muodostumisalueilta purkausalueille • pohjaveden mitatut korkeuskäyrät ovat ns. ekvipotetiaalipintoja sillä pohjaveden virtaus on lähes vaakasuoraa • pohjavedn virtaussuuntien tarkka alueellinen määrittäminen on kallista mutta yleiskuvan virtauksen suunnasta saa ns. kolmen havaintoputken menetelmällä • virtauksen ominaisuuksien määrittämiseen voidaan käyttää myös merkkiaineita, jolloin aine hajaantuu ja sekoittuu pohjaveden virtauksen suunnassa ns. hydrodynaaminen dispersio

28. POHJAVEDEN PURKAUTUMINEN • pohjavesi virtaa painovoiman vaikutuksesta kohti pohjaveden purkautumiskohtia eli pohjavedenpinnan ja maanpinnan leikkauskohtia • purkautumiskohdissa pohjavesi tihkuu maan pinnalle tai purkautuu lähteestä • vaikka pohjaveden muodostuminen on jaksottaista on sen purkautumunen etenkin glasifluviaalisista kerrostumista jatkuvaa koska pohjavesivarastot ovat yleensä suuria • moreenialueilla lähteet saattavat kuivua ajoittain koska pohjavesivarastot ovat pieniä • savikoilla purkautuvan pohjaveden määrä on erittäin pieni pienen vedenjohtavuuden vuoksi • pohjavesi virtaa yleensä kohti pintavesiä mutta virtaus voi olla myös päinvastoin • kalliopohjaveden purkautumisalueina toimivat mantereilla yleensä maaperän alimmat painanteet – rannikoilla meren pinta osoittaa kalliopohjaveden lopullisen purkautumistason

29. SUOMEN GEOLOGISET MUODOSTUMAT JA POHJAVESIVARAT • Suomen pohjavesivarojen kokonaistuotto n. 5 milj. kuutiometriä / vrk • n. 7500 kartoitettua akviferiä • pohjavesivarat riittäisivät jopa kymmenkertaiselle väestölle • suurimmat pohjavesiesiintymät sijaitsevat suurten reunamuodostumien alueilla, etenkin SS vyöhykkeessä ja soraharjuissa • kallioperässä saattaa olla paikoin merkittäviäkin kalliopohjavesivaroja (esim. Lohjan kalkkikivikaivoksesta pumpataan yli 1000 kuutiometriä / vrk laadukasta vettä

30. KALLIOPERÄN POHJAVESIVARAT • Suomen kallioperä koostuu magmaattisista syväkivistä ja metamorfisista kiteisistä liuskeista ja gneisseistä • hydrogeologisesti kallioperäämme on lähes vettä läpäisemätöntä, ruhjeiden ja rakoilleen kallioperän kohdalla vesi voi varastoitua kallioperään • maankuoren liikkeet ovat aiheuttaneet ruhjeita ylimpään 100 metriin, joiden pituus saattaa olla kymmenistä metreistä satoihin kilometreihin • raot ruhjevyöhykettä syvemmällä mutta raot ovat kapeita • veden virtaus erittäin heikko • kalliopohjavesialtaat muodostuvat ruhjevyöhykkeiden alueelle • Suomen toistaiseksi tutkitut kalliopohjavesialtaat ovat pienialaisia, pieni veden varastotilavuus, pieni syvyysulottuvuus ja peinialainen ja lyhytkestoinen hydrologinen kierto • kallioporakaivojen antoisuus keskimäärin 30m3 / vrk ja keskisyvyys 60 m • kalliopohjavesi on yhteydessä kallion päällä ja reuna-alueilla olevien maakerrosten pohjavesiin

31. MAAPERÄN VESIVARAT • pohjavettä on kaikkialla maaperässä • yleensä pohjaveden pinta on sitä syvemmällä mitä suurempi on kerroksen ominaisantoisuus ja vedenjohtavuus • suot - pohjaveden pinta yhtyy turvekerroksen pintaan; veden käyttöarvo on vähäinen • moreenimaat – yleensä heikko vedenjohtokyky (10 – 30 % sadannasta imeytyy maahan), pohjavesivaroja vain yksittäistalouksiin • moreenimuodostumista hyödyntämiskelpoisia pohjavesiä voi olla karkearakeisissa ja osittain lajittuneissa kumpumoreeneissa ja drumliineissa • savet – veden kyllästämiä, ominaisantoisuus on pieni, eihyödynnettäviä pohjavesivaroja (0 – 10% sadannasta pohjavedeksi)

32. MAAPERÄN VESIVARAT • hiekka- ja sorakerrostumat (pinta-ala 5% maa-alasta) parhaita akvifereja, 30 – 60% sadannasta pohjavedeksi • helposti otettavissa talousvesikäyttöön • karkeat sorat ovat yleensä harjujen ytimissä ja niiden hydraulinen johtavuus hyvä • pohjaveden pinta on yleensä syvällä ja lähes vaakatasossa • harjut ovat n. 10 – 50 m paksuja ja niiden päävirtaussuunta on harjujen pituussuunta • harjuakfiverit voivat olla antikliinisia (vettä ympäristöönsä purkavia) tai synkliinisiä (harjuun tapahtuu pohjaveden virtausta ympäristöstä) • Salpausselät ovat Suomen parhaat ja yhtenäisimmät pohjavesivarastot; akviferien laajuus saattaa olla useita kymmeniä neliökilometrejä ja akviferejä jakavat kalliokynnäät tai huonosti vettä läpäisevät kerrokset (sa ja mr) • syöttöharjujen risteukset parhaita akfiverejä; Lapissa laaksontäytteet • rantakerrostumat myös käyttökelpoisia etenkin P-maan rannikoilla

33. MAAPERÄN POHJAVESIVARAT

34. POHJAVEDEN KEMIALLISEEN KOOSTUMUK- SEEN VAIKUTTAVAT TEKIJÄT • pohjavesi on liuos, joka koostuu vedestä ja elektrolyyteistä (anionit, kationit ja humus) • elektrolyyttien määrä Suomen pohjavesissä on alhainen n. 40 – 60 mg/l • pohjaveden laatu riippuu ilmakehän veden ominaisuuksista ja geologisista tekijöistä • merivesi, eliötoiminta ja ilmisen vaikutus vaikuttavat myös pohjaveden laatuun • sadevesi reagoi maaperässä ja sen kemiallinen luonne muuttuu, joten pohjaveden sisältämien aineiden määrä ja laatu riippuu veden viipymästä maan alla ja sadeveden reaktioista maankamarassa • haihdunta lisää aineiden pitoisuuksia maa- ja pohjavesissä s.e. pohjavesi on väkevintä kesällä haihdunnan ollessa suurinta • maannoksessa tapahtuu kemiallisia reaktioita jotka vaikuttvat pohjaveden laatuun • maannoshorisontissa erilaisia puskurireaktioita, joissa happaman laskeuman ja orgaanisten happojen vaikutus yleensä neutraloituu (orgaanisen ja mineraaliaineksen pinnalla olevat vaihtokykyiset ionit) • puskuriliuos = liuos jossa pH ei muutu vaikka siihen lisätään vety tai OH ioneja

35. POHJAVEDEN LAATUUN VAIKUTTAVAT GEOLOGISET TEKIJÄT • kallioperän mineraali- ja kivilajikoostumus • maaperän mineraalikoostumus, raekoostumus ja huokoisuusominaisuudet vaikuttavat pohjaveden viipymään ja reaktiopinta-alan suuruuteen ja täten pohjaveden laatuun • pohjaveteen liukenee enemmän suoloja runsaasti hienoainesta sisältävästä maaperästä jolloin myös viipymä on pitkäaikaista • maa- ja kallioperän kivilajikoostumus vaikuttaa siten, että helpommin rapautuvista mineraaleista liukenee enemmän aineksia veteen • esim. amfibolit, pyrokseenit, plagioklaasi ja kiilteet helposti rapautuvia mineraaleja; kivilajeista gabrot, amfibolit, dioriitit ja kiilleliuskeet • kalkkikivi liukenee myös helposti hieman happamiin vesiin • vaikeasti rapautuvia mineraaleja ovat kvartsi, kalimaasälpä; kivilajeista graniitti, gneissi ja kvartsiitti

36. POHJAVEDEN LAATUUN VAIKUTTAVAT MERELLISET TEKIJÄT • vaikuutavat merten rannikoilla ja suolajärvien alueella – Suomessa merellisillä tekijöillä on vaikutusta rannikoilla ja aikoinaan suolaisen meriveden alla olleilla alueilla • merellisiä ioneja pohjavedessä ovat kloridi, sulfaatti, natrium ja magnesium • suolaista pohjavettä saattaa maa- ja kallioperässä olla myös ns. reliktisenä merivetenä l. jäännösmerivetenä • reliktinen suolainen vesi on todennäköisesti peräisin n. 4000 – 6000 v. sitten muodostuneista merisedimenteistä, joissa Na ja Cl-pitoisuudet ovat huomattavasti korkeammat kuin nykyisessä merivedessä • etenkin rannikoilla ja saaristossa suolaista merivettä kallioperän raoissa • suolaisen kallioraoissa olevan meriveden päälle voi syntyä makeaa maaperän pohjavettä

37. IHMISTOIMINNAN VAIKUTUS POHJAVEDEN LAATUUN • pistekuormitus – esim. tehdas, kaatopaikka, öljysäiliö • diffuusikuormitus – hapan sade, torjunta-aineet yms.) • tyypillisiä ihmisen toiminnasta peräisin olevia aineita pohjavedessä ovat nitraatit, kloridit, kalium, natrium, rauta, sinkki, kupari ja nikkeli

38. POHJAVEDEN KEMIALLINEN KOOSTUMUS • kovuus = rasvahappoja saostavien kationien (esim. Ca, Mg, Fe, Al, Mn, Sr, Zn) määrä • veden kovuus ilmastaan yleensä ns. kalsiumkarbonaattikovuutena, jolloin analysoidaan Ca ja Mg ja kovuus saadaan kaavasta: Hr = 2,5 x Ca (mg/l) + 4,1 x Mg (mg/l) • sähkönjohtokyky = veden kyky johtaa sähköä (veden ionikonsentraatio josta saadaan myös elektrolyyttipitoisuus) • pH = veden happamuusaste ilmasten sekä vety että hydroksyyli-ionien konsentraation • alkaliteetti = vedessä olevien emäksisten yhdisteiden määrä • alkaliteetti ilmaisee veden kykyä neutralisoida happoja l. puskurikapasiteetin; Suomessa veden alkaliteetti riippuu pääasiassa sen sisältämien bikarbonaatin määrästä ja puskurikapasiteetti on luokkaa 1 mmol/l

39. POHJAVEDEN KEMIALLINEN KOOSTUMUS • hiilidioksidipitoisuus pohjavedessä on peräisin maaperän pintaosista ja ilmakehästähiilidioksidi dissosioi vettä ja muodostuu bikarbonaattia ja vety-ioneja; heijastuu pH:ssa • TDS = Total Dissolved Solids = veteen liuenneen kiintoaineen kokonaismäärä • luonnonvesissä TDS vaihtelee – sadevedessä 10 mg/l suolaisen veden 10000 mg/l • Na 1 – 5 mg/l (vanhoilla merenpohjan alueilla 50 – 100 mg/l) • Ca mineraalien rapautuminen ja sadevesi • Mg lähteitä dolomiitti ja magnesiitti ja tummat mineraalit • Si maan kuoren yleisin alkuaine mutta suuri osa heikkoliukoisia happamassa ja neitraalissa ympäristössä, joten pohjavesissä vain n. 5 – 40 mg/l (vulkaanisten kivien alueella voi olla 100 mg/l)

40. POHJAVEDEN KEMIALLINEN KOOSTUMUS • Fe – kallioperästä ja maaperästä (min. koostumus; hematiitti, magnetiitti, biotiitti, kloriitti, sarvivälke, sideriitti, kiisut), pohjaveden vallitseva happi- ja redox olosuhteet sekä mikrobien toiminta • hyvin johtavissa karkearakeisissa maalajeissa olevan pohjaveden rautapitoisuus on pieni (n. 0,1 mg/l) • hapettomissa tai vähähappisissa olosuhteissa tiiviiden maakerrosten alla pitoisuus voi olla useita mg/l • Mn – esim. sarvivälke ja biotiitti; käyttäytyy pohjavesissä kuten rauta mutta pitoisuudet yleensä puolta vähemmän • Cu – hivenaine 2 – 10 µg/l • Cl – pintavesissä yleensä alle 10 mg/l, pohjavesissä pääosa klorideista tuulen kuljettamasta merisuolasta; kloridipitoisuuden nousu pohjavesissä voi johtua reliktisistä merivesistä tai tiesuolauksesta

41. POHJAVEDEN KEMIALLINEN KOOSTUMUS • F – pohjaveden fluoridi lähtöisin pääosin maa- ja kallioperän mineraaleista (apatiitti, fluoridi, sarvivälke), osa fluoridista peräisin kasvinsuojeluaineista, desinfiointiaineista sekä kemianteollisuuden jätevesistä • Suomen pohjavesien fluoridipitoisuudet vaihtelevat 0,01 – 2,0 mg/l, rapakivialueilla paikoin useita mg/l • sulfaatti – Suomen pohjavesissä pitoisuudet yleensä n. 10 mg/l paitsi sulfidimalmialueilla ja rannikon alunamailla • sulfaattipitoisuus voi kasvaa myös happaman sateen vaikutuksesta • Al – maa- ja kallioperän yleisimpiä alkuaineita mutta heikkoliukoinen hieman happamissa ja neutraaleissa olosuhteissa; Suomen pohjavesissä n. 30 mg/l

42. LIKAANTUMISEN INDIKAATTORIT • HYVÄLAATUINEN VESI ON HAJUTON, MAUTON, VÄRITÖN JA KIRKAS • hajun voi veteen aiheuttaa levät, sienet, putkistojen bakteerikasvusto, jätevedet, korkea ammoniumpitoisuus • sameutta voi aiheuttaa esim. pintavesien pääsy kaivoon, korkeat Al, Fe, Zn, Mn pitoisuudet, savipartikkelit ja orgaaninen aines (humus) • väri – rauta ja mangaani yleisimpiä värimuutoksen aiheuttajia • kaliumpermanganaatin kulutuksen perusteella mitataan veden sisältämien kemiallisesti hapettuvien, lähinnä orgaanisten yhdisteiden kokonaismäärää • saastumattomien pohjavesien KMnO4-luku on välillä 1 – 5 mg/l • typpiyhdisteet (NH4, NH3, NO2) – peräisin sadevedestä, orgaanisen aineksen hajoamisesta maaperässä, lannotteista, teollisuuden, asutuksen ja kaatopaikkojen jätevesistä • fosfaatti – epäorgaanisesti sitoutuneen fosforin määrä (lannoitus) • kalium – Suomessa alle 1 mg/l

43. POHJAVEDEN LAATUVAIHTELUT SUOMESSA • Suomen pohjavedet sisältävät vain vähän liuenneita aineita • merkittäviä pohjaveden laadun vaihteluja esiintyy ja geologiset tekijät selittävät suuren osan pohjaveden alueellisista vaihteluista • meren läheisyys – kohonneet sähkönjohtavuusarvot, kloridi- ja natriumpitoisuus • rannikkoalueen runsassuolaiset vedet sijoittuvat pääosin Litorina-savien alueelle, jossa akviferit ovat usein peitteisä ja pohjavesi viipyy kerrostumissa tavallista pitempään akviferiolosuhteiden ollessa heokommin hapettavia • etenkin rauta- ja mangaanipitoisuudet saattavat olla korkeita (esim. Pohjanmaa) • rannikon pohjavedet ovat sisämaan pohjavesiä pehmeämpiä (Ca ja Mg potoisuudet korkeampia) ja Pohjanmaan sekä lounaisrannikon alunamaat nostavat pohjavesien sulfaattipitoisuuksia

44. POHJAVEDEN LAATUVAIHTELUT SUOMESSA • kaliumpermanganaattiluku ja väriluku kuvaavat veden humuksen ja saveksen määrää ja värillisyyttä osoittaen suoalueiden ja pintavesien vaikutuksen pohjavesiin; korkeita siellä missä kohonneet rauta- ja mangaani-pitoisuudet • Suomen etelä- ja lounaisosissa korkeita alumiinipitoisuuksia (savipartikkelien pääsy pohjavesiin) • amfiboliiittien, gabrojen ja karbonaattikivien alueilla kohonneita Ph-, sähkönjohtavuus-, kokonaiskovuus- ja alkaliniteettiarvoja verrattuna happamien kivilajien alueisiin • keskimääräistä emäksisempiä pohjavesiä on rannikkoalueilla (akviferit peitteisiä) ja etenkin Ahvenanmaalla, Lounais-Suomessa ja Peräpohjolassa (kalkkikiveä maa- ja kallioperässä) • alkaliniteetissa jopa kymmenkertaisia eroja Suomen olosuhteissa; heikoin puskurikyky on Lapissa ja paras puskurikyky lounaisrannikon, Ahvenanmaan ja Peräpohjolan pohjavesissä • fluoridi korkea Kaakkois- ja Lounais-Suomessa • nitraatit kohonneita karjatalousalueilla (Savo, Etelä-Karjala)

45. TALOUSVEDEN LAATUVAATIMUKSET • JUOMAVESI EI SAA AIHEUTTAA KÄYTTÄJÄLLEEN TERVEYDELLISTÄ HAITAA TAI VAARAA (terveydelliset laatuvaatimukset) • koliformisten bakteerien esiintyminen pohjavesissä kuvastaa yleensä pintavesien vaikutusta pohjavesiin • lämpökestoiset koliformiset bakteerit (tärkein Escherichia coli) osoittavat ulosteperäistä saastumista • useat muutkin aineet suurina pitoisuuksina aiheuttavat terveydelle haittaa; Suomessa yleisimmin nitraatti, nitriitti ja fluoridi • nitraatti/nitriitti – imeväis-ikäiset lapset - veren punasolujen happiaineenvaihdunta; mahalaukun- ja virtsarakon syövän riski? • fluoridi – luustovauriot ja hammaskiilteen muodostumishäiriöt • alumiini – neurologiset häiriöt? • teknisiin ja esteettisiin ominaosuuksiin perustuvat laatuvaatimukset

46. POHJAVEDEN TUTKIMUSMENETELMÄT • pohjavesitutkimuksilla pyritään selvittämään vettä johtavien kerrosten laajuus ja rakenne ja pohjaveden laatu • tärkeintä selvittää pohjaveden virtausta rajoittavat kalliokynnykset ja/tai vettä huonosti johtavien kerrosten sijainti ja jatkuvuus • tavoitteena määrittää akviferin antoisuus, varastointikyky ja pohjaveden muodostumisalue • pohjaveden tutkiminen voidaan jakaa: • perusselvityksiin ja inventointeihin – alueellinen suunnittelu, pohjaveden suojelu, laaja-alainen vedenhankinnan suunnittelu • esiintymäkohtaisiin pohjavesiselvityksiin – esiintymäkohtainen vedenhankinta

47. POHJAVEDEN TUTKIMUSMENETELMÄT • esiselvitykset – aiempi tutkimusmateriaali, perus- ja geologiset kartat, ilmakuvat, stratigrafiset tiedot, hydrogeologiset kartat → kokonaiskuvan saaminen alueesta sekä kuva johtavien kerrosten laajuudesta, pohjaveden muodostumisesta ja purkautumisesta • esim. sääasemilta sadantatiedot vesitasetarkasteluun, pohjaveden mittausasemilta pohjaveden pinnan korkeustieto, maankosteuden, haihdunnan ja suotautuvan vesimäärän mittaustietoa • alustavat tutkimukset – tarkoituksena saada kuva a) alueen pohjavesioloista, b) muodostuvan pohjaveden määrästä, c) pohjaveden pinnan määrästä, d) pohjaveden virtausolosuhteista, e) varastoituvan pohjaveden määrästä, f) pohjaveden laadusta tekemällä mahdollisimman vähän varsinaisia maastomittauksia, jonka perusteella rajataan jatkotutkimuskohteet ja selvitetään jatkotutkimuksien tarpeellisuus • topografian perusteella todennäköiset virtaussuunnat ottamalla huomioon maaperän synty

48. POHJAVESIASEMILTA SAATAVA TIETO • Suomessa 53 pohjavesiasemaa, joilla tehdään säännöllisiä havaintoja sadannasta, maakosteudesta, haihdunnasta, maan pinnan alle suotautuvan pohjaveden määrästä ja laadusta, pohjaveden pinnnan korkeudesta ja pohjaveden laadusta • pohjavesiasemien havaintoaineisto: • virtaamamittaukset – virtaaman mittaus lähetistä ns. Thompsonin pato (virtaama alle 1500 m3 / vrk • pohjavedenpinnan taso – alueella olevien lähteiden, kaivojen ja pohjavesilammikoiden vesipinnat; tarvittaessa asennetaan 35 mm, 52 mm tai 60 mm pohjavesiputkia • maakosteuden tutkiminen – tieto maan vesipitoisuudesta (kenttäkapasiteetti, ominaisantoisuus) • suotovesimittaus – lysimetrillä ( = maalla täytetty astia, joka on rakennettu siten, että sen läpi suotautuva versi voidaan mitata suotovesiastiasta)

49. GEOLOGISET TUTKIMUKSET • tavoitteena laatia pohjavesigeologinen kuvaus tutkittavasta alueesta • vettä johtavien kerroksien paksuus ja jatkuvuus • pohjaveden muodostumis- ja purkautumisalueet • tiiviiden kerrostensijainti, paksuus ja jatkuvuus • kalliokynnykset • imeytymisolosuhteet - geologisiin tutkimuksiin kuuluu geomorfologinen havainnointi, maaperän stratigrafian selvittäminen, sekä kerrostumisympäristön määrittäminen maaleikkauksista ja koekaivannosita - geologisten tutkimusten tavoitteena on saada selville vettä varastoivien yksiköiden jatkuvuus ja laaja-alaisuus - otetuista näytteistä selvitetään vesipitoisuus,raekoostumusominai-suudet, vedenläpäisevyys, huokostilavuusmittaukset

50. GEOFYSIKAALISET TUTKIMUKSET • perustuvat maankamaran sähkönjohtavuuteen, tiheyteen ja dielektrisyyteen • aerofysikaaliset menetelmät – lentomittauksilla kartoitetaan maa- ja kallioperän magnetoitumaa, sähkönjohtavuuttaja luonnollista radioaktiivisuutta • lentomittausaineistosta saadaan soveltuvia tulosteita, joissa saadaan näkyviin maa- ja kallioperän suuret rakenteet • aeromagneettisia mittauksia voidaan käyttää apuna ruhjetulkinnassa • painovoimamittaukset – käytetään maapeitteen paksuusmäärityksiin • paksu maapeite aiheuttaa painovoimaan minimin ja massavajauksen perusteella voidaan laskea maapeiteen paksuus (kontrolloitava kairauksilla) • menetelmä sopii erityisesti kalliokynnysten paikallistamiseen