Vesistöhaittojen estäminen metsätaloudessa & putkipatojen ja laskeutusaltaiden suunnittelu

1. Vesistöhaittojen estäminen metsätaloudessa & putkipatojen ja laskeutusaltaiden suunnittelu 8.10.2014 Antti Leinonen Suomen metsäkeskus

2. Esityksen sisältö Vesiensuojelun tavoitteista Eroosio ja kiintoaineksen pysäyttäminen Vesiensuojelurakenteiden suunnittelu ja tehokkuus Putkipadot Laskeutusaltaat

3. Veteen liuenneita ravinteita, fosfori ja typpi tärkeimmät Humusta =liuennutta orgaanista ainesta Kiintoainesta, orgaanista tai epäorgaanista Huuhtoutuminen, kuljetus, kasaantuminen Kuormituksen kesto keskimäärin 10 vuotta, jonka jälkeen palataan ojitusta edeltäneelle tasolle Maanmuokkauksissa aika vielä keskimäärin lyhyempi Vesistövaikutusten torjumisen tavoitteet metsätaloudessa

4. Kuormituksen synty ja kulkeutuminen vesistöön Nykykäytännön mukaiset perustoimenpiteet: Lisätoimenpiteet: merkitys 90 % ? merkitys 10 % ? Toiminta -laji -määrä -sijainti Huuhtoutuminen -maalaji -kaltevuus -vesimäärä Kulkeutuminen -pintavesien uomat Vesistöön pääsevä kuormitus Kuormituksen synnyn ehkäiseminen Kuormituksen kulkeutumisen pysäyttäminen + Vesiensuojelun taso valuma-alueella =

5. Kiintoainekuormituksen keskimääräinen ajallinen kesto Lähde:LeenaFinér ym. 2008. Metsätalouden vesistökuormituslaskelmat Kansallisen metsäohjelman 2015 valmistelua varten.

6. Eroosion tunnistaminen • Yksinkertaistetusti: eroosio alkaa, kun virtausnopeus ylittää maalajin rajanopeuden

7. Maalajin rajanopeus Maalaji tai verhoustapa vmax m/s ______________________________________________________ Siltti, liejusavi 0,30 Hieno hiekkamaa 0,35 Konsolidoitumaton savimaa, maatunut turve 0,40 Karkea hiekkamaa 0,45 Hieno soramaa 0,60 Raaka turvemaa 0,70 Karkea soramaa 0,80 Konsolidoitunut lihava savimaa 1,15 Tiivis moreenimaa 1,20 Kivikko 1,50 Hyvin juurtunut nurmi 1,80 Betoniverhous 4,00 ______________________________________________ Maankuivatuksen ja kastelun suunnitteluopas, luonnos 30.3.2007

8. Kaltevuus Kaltevuuden vaikutus veden virtausnopeuteen Vrt. rajanopeustaulukko! kaltevuus m/100 m Virtausnopeus ojakauhalla kaivetussa ojassa kaivun jälkeen eri uoman kaltevuuksilla virtaamalla 27 l/s (keskiylivirtaama 25 ha valuma-alueella)

9. Valuma-alueen koon vaikutus veden virtausnopeuteen Vesimäärä tietyllä hetkellä Vrt. rajanopeustaulukko! valuma-alue ha Virtausnopeus ojakauhalla kaivetussa ojassa ojan kaivun jälkeen, kun kaltevuus on 0,3 %

10. Vesimäärän vaikutus veden virtausnopeuteen Vesimäärä tietyllä hetkellä Vrt. rajanopeustaulukko! valuma l/s/ha Virtausnopeus ojakauhalla kaivetussa ojassa ojan kaivun jälkeen, kun kaltevuus on 0,3 % ja valuma-alueen pinta-ala 25 ha

11. Kuormitus ja virtaama Lähde: Lappalainen, M. 2008. Transport of sediment from peatland forest after ditch network mainenance

12. Virtaaman vaikutus veden sameuteen Surnuin vertailualue, ei käsittelyä Kuntalan ojitusalue

13. Eroosion tunnistaminen = eroosiolle altistavien olosuhteiden tunnistaminen 2 1 3 Taulukko Maalajin rajanopeudesta johdettu kaivettavan ojan suurin suositeltu kaltevuus m/100m (Ojitettujen soiden puuntuotanto ja ympäristönhoito 1999, 34) Esimerkki. Kun perattavan laskuojan valuma-alueen pinta-ala tarkastelupaikassa on 25 ha (1) ja maalaji ojassa hietaa (2), saa ojan kaltevuus olla enintään 0,22 m/100 (3), tai muuten oja alkaa syöpymään

14. …tunnistaminen ja oikea reagointi

15. Paikkatietoaineisto apuna -pintaveden virtausmalli Paikkatietoaineistojen pohjalta laskettu tulos pintavesien liikkumisesta. • Lähtötiedot • Maanmittauslaitoksen numeerinen maastotietokanta • Suomen ympäristökeskuksen valuma-aluejako. • Lopputulos • Teemakartta • Ominaisuustiedot

16. Vesiensuojelun tehostaminen kunnostusojituksessa(nykykäytännön mukainen vesiensuojelu) • Tarpeettomien tai syöpyvien ojien kaivamatta jättäminen • Kunnostusojitustarve <> kunnostusojituskelpoisuus • Sarkaojat = kuivatus <>laskuojat = vesien johtaminen • Eroosiolle alttiiden ojien tunnistaminen • Eroosion vähentäminen kaivettavissa ojissa • Eroosiolle altistavien olosuhteiden tunnistaminen ja oikea reagointi • Menetelmien valinta, sijoittaminen ja mitoittaminen • Mitoitus pääsääntöisesti vesimääriin perustuen • Hajautettu vesiensuojelu & vesien johtaminen rakenteisiin

17. Vesiensuojelun tehostaminen kunnostusojituksissa • Eroosiolle altistavat olosuhteet vaihtelevat usein suuresti ojitusalueen sisällä ja ojittain • Tietoa vesimääristä > laskuojien ja sarkaojien tunnistaminen • Ojien kaltevuudet ja maalajit riittävällä tarkkuudella erityisesti laskuojien osalta • Ojastokohtainen tai pienipiirteisempi tarkastelu • Vesiensuojelusuunnitelmassa riskien tunnistaminen ja niihin reagointi

18. Vesiensuojelun tehostaminen maanmuokkauksissa • Huuhtoutuminen, toiminta muokkausalueella • Maanmuokkausmenetelmien tarkentaminen ja toteutuksen laatu kuvion sisällä (esim. naveroinnin suunta, naverointi vs. mätästys, vanhat ojat), puunkorjuu • Kulkeutuminen, suojavyöhykkeet • Toimenpidekuvioiden rajaukset tarkentaminen vesistöjen läheisyydessä (suojavyöhykkeiden painopisteet) • Vesien kertyminen (ml. maanmuokkausalueen ulkopuoliset vedet), maanpinnan kaltevuus

19. Vesiensuojelurakenteet, Kiintoaineksen pysäyttäminen • Hidastetaan virtausta, jotta virtauksen mukana kulkeutava aines laskeutuu, eikä enää lähde liikkeelle • Suspensioita (aines sekoittuneen veteen)ja pohjakulkeumaa (vierimällä ja pomppimalla pohjalla) • Molempia tapahtuu aina yhtä aikaa, suhteelliset osuudet vaihtelevat virtauksen ja maa-aineksen mukaisesti • Pohjakulkeuma • Suspensio (vierimällä ja pomppimalla pohjalla virtauksen mukana) (aines sekoittuneena koko vesimassaan)

20. Kulkeuman tyyppi pohjakulkeuma suspensio Lähde: Lappalainen, M. 2008. Transport of sediment from peatland forest after ditch network mainenance • HkMr maalle kaivetun tyypillisen laskuojan kulkeumatyypit n. 50 % ei huuhtoudu n. 20 % pohjakulkeumana n. 30 % suspensiona Lähde: Haavisto-Hyvärinen & Kutvonen 2007

21. Milloin kiintoaines pysähtyy ? Lähde: Kiintoaineen eroosio, kuljetus ja sedimentoituminen Hjulströmin mukaan (Graf 1988) Esim. läpimitaltaan 0,06 mm hiukkanen (HHt) huuhtoutuu, kun veden nopeus ylittää 30 cm/s, hiukkanen kulkeutuu veden mukana kunnes veden virtaus nopeus alittaa 0,5 cm/s Veden kuljettaman hienoaineksen pysäyttäminen on erittäin hankalaa!

22. Vesiensuojelun tavoitteet 1. Eroosion synnyn estäminen Tunnistetaan eroosiota synnyttävät olosuhteet Arvioidaan mahdollisuuksia vaikuttaa olosuhteisiin Valitaan tehokkain tapa toimia 2. Irronneen kiintoaineksen pysäyttäminen Hidastetaan virtausnopeutta sopivassa paikassa Suojavyöhykkeet, pintavalutuskentät, kosteikot, laskeutusaltaat, lietekuopat

23. Vesiensuojelurakenteiden tehokkuus • Tehokkain vesiensuojelukeino on välttää kuivatuksen kannalta tarpeettomien ojien kaivamista tai liian uudistamisen kannalta tarpeettoman voimakasta muokkausta • -> ojien syöpymisen estäminen, kaivukatkot ja virtausta hidastavat rakenteet tai yhtenäisten muokkausurien muodostumisen välttäminen päälaskusuuntaan • Viimeisenä lukkona jo liikkeelle lähteneen kuormituksen pysäyttävät rakenteet, ensi sijassa pinta-valutuskentät, viimeisenä keinona lietekuopat ja laskeutusaltaat ja maanmuokkausalueella vesistöjen suojavyöhykkeet • Yhteen yksitäiseen vesiensuojelukeinoon tukeutuminen ei takaa hyvää lopputulosta, vaan kaikki keinot on otettava käyttöön • -> huolellisen suunnittelun merkitys korostuu!

24. Putkipadot • Merkittävä osa kiintoaine ja ravinnekuormituksesta huuhtoutuu vesistöihin tulva-aikoina Kuva Matemaattisella mallilla laskettu kiintoainekuormitus metsäojassa ojan perkauksen jälkeen (Lappalainen 2008) Kuva Matemaattisella mallilla laskettu kiintoainekuormitus metsäojassa ojan perkauksen jälkeen (Lappalainen 2008) • Perinteisten vesiensuojelurakenteiden toimivuus heikko kriittisinä hetkinä!

25. Ratkaisuna virtaaman säätö • Tavoitteena virtaamahuippujen tasaaminen varastoimalla hetkellisesti tulvavesiä metsäojissa -> • Virtausnopeuden hidastuminen yläpuolisessa ojastossa -> • Eroosio vähenee • Huuhtoutuneen kiintoaineksen sedimentoituminen padon etupuolisessa ojastossa • Putkipadoilla mitattu merkittäviä kiintoaine ja ravinnepoistumia (Marttila, Jämsen, Klove) • Kiintoaine – 86 % • Kokonaistyppi – 65 % • Kokonaisfosfori – 67 % • Vähentää myös eroosioalttiutta padon alapuolisessa uomassa • Myös muiden vesiensuojelurakenteiden toiminnan tehostaminen

26. Rakenteet Padon harjan/aukon mitoitus • Esim. Thompsonin mittapato (kuvassa aukko 120 astetta) • Vaatii järeitä rakenteita • Mittavampien vesiensuojelurakenteiden yhteyteen

27. Rakenteet Putkipadot Kuva Juha Jämsen • Toteutettavissa helposti vaikka ojituksen yhteydessä (rakentaminen & tarvikkeet) • Kustannus/tehokkuuden suhde hyvä • + Kulkuyhteydet (ylityspaikat, piennartasanteet)

28. Putkipato ja sen rakentaminen Kuva Marttila, Jämsen & Klove Kuva Juha Jämsen

29. Rakenne & rakentaminen • Tulvaputki Tarvittaessa: • Pintavalunta

30. Rakenne & rakentaminen • Vesiensuojelurakenteiden yhteyteen

31. Suunnittelu & sijoittaminen • Suunnittelussa on kiinnitettävä huomioita mm. seuraaviin seikkoihin (Marttila, Jämsen & Klove) • valuma-alueen ja ojitusalueen pinta-alat ja niiden välinen suhde • ojitusalueen pituuskaltevuus • ojitusalueen ojaston potentiaalinen varastotilavuus • ojitusalueen maaperä ja sen ominaisuudet • vedenpidättämisen aiheuttamat riskit kohteella • suurin mahdollinen vedenpidätyskorkeus • eroosioriski ojitusalueella • valuntahuippujen vähentämistarpeet ja mahdollisuudet • alapuolisen padotuksen vaikutus mitoitukseen • maanomistajan toiveet • padon toimivuuden seuranta jatkossa Putkipadon laskennallinen vaikutus vedenkorkeuteen maksimipadotuksella yläpuolisessa ojastossa

32. Mitoitus • Mitoituksen tavoitteet (Marttila, Jämsen, Klove) • Valuntahuippujen leikkaaminen • Veden viipymän maksimointi • Riittävän kuivatuksen ylläpitäminen • Säätöputken (alimman putken) mitoitus • Putki padottaa usein toistuvia keskisuuria sateita (tarpeeksi pieni) • Ei kuitenkaan aiheuta jatkuvaa padotusta kasvukaudella (tarpeeksi suuri) • Mitoitusvirtaamien määrittäminen tärkeää (valuma-alue!)

33. Mitoitusvirtaamien määrittely Kuva Pienen metsäisen valuma-alueen (73 ha) laskuojan virtaama. Kesäkuun ja joululukuun välisen ajanjakson virtaaman perusteella normaalivirtaama olisi noin 30 l/s, mikäli pisimpänä yhtäjaksoisena padotuksena pidetään 5 vrk. Kuva Kevätkauden keskiylivaluman määrittäminen järvettömillä alueilla Seunan (1983) mukaan (Maankuivatuksen suunnittelu 1986)

34. Putken mitoittaminen • Ylempi viiva kokonaan ojitetuille alueille ja alueille joilla rakenteen kohdalla esiintyy alapuolista padotusta • Alempi viiva ojitusalueille joilla on myös yläpuolista ei ojitettua valuma-aluetta • Ohjeita: • http://www.metsakeskus.fi/sites/default/files/virtaamansaatopato_tuotekortti.pdf • http://www.metsakeskus.fi/sites/default/files/virtaamansaatoohje_raporttipohjalla_260111.pdf Kuva Putkipadon mitoitusnomogrammi (Marttila, Jamsen & Klove)

35. Laskeutusaltaat • Pääsääntöisesti mitoittaminen vesimäärään perustuen • Mitoitus yläpuolinen valuma-alueen perusteella • vrt. hyötyala, kaivatusalue • Q= A*MHQ (esim. Seuna, kts. dia ) • Mitoitustaulukko http://www.ymparisto.fi/download/noname/%7B03F3FF2A-8680-4DDB-9B5F-8ABB7EBA7A7F%7D/91698 • Hajautettu vesiensuojelu – kustannustehokkuus

36. Laskeutusaltaiden sijoittamien ojitusalueelle • Mitoitus vesimäärän perusteella • 1. allas - 7,5m x 36 m, 416 m3 • 2. allas - 5 m x 12 m, 65 m3 • Yksi iso laskuojassa vai useampi pieni? • 1. altaassa puolet mitoituksesta ojitusalueen ulkopuolisia vesiä varten – kustannustehokkuus? • Koska mitoitus perustuu altaaseen tulevaan vesimäärän, saman veden ohjaaminen useamman pienen altaan läpi ei vähennä yksittäisen altaan mitoitusta (kaikki toimivat yhtä huonosti) 2 2 1 1 2 1

37. Laskeutusaltaat Altaaseen jää sellaisia hiukkasia, joiden laskeutumisnopeus on suurempi (m/h, kuin samaan aikaan altaaseen virtaavan vesimassan paksuus (m/h) Esimerkiksi jos altaaseen tulevan hiukkasen laskeutumisnopeus on 1 m / h, tulee altaaseen samassa ajassa (1 h) tulevan vesimassan paksuus olla korkeintaan 1 m, jotta hiukkanen pidättyy altaaseen Hiukkasen tulee ehtiä laskeutumaan altaan pohjalle ennen altaan läpi virtaamistaan Altaan mitoituksen määrää sinne tuleva vesimäärä

38. Altaan mitoitukseen vaikuttaa ensisijaisesti altaaseen tuleva vesimäärä sekä pidättyvän hiukkasen minimi tavoiteko • Vesimäärä määräytyy ensisijaisesti valuma-alueen koon perusteella -> altaan sijoittaminen erittäin tärkeää, peräkkäiset altaat eivät ole kustannustehokkaita • Valuma-alue = se alue mistä vesi tulee altaaseen - > ojitusalueen ulkopuolisten vesien johtaminen laskeutusaltaaseen vähentää kustannustehokkuutta • Mitoitus 3-8 m2 /valuma-aluehehtaari ja lietetilavuus 2-5 m3 ; tavoitteena hieno hieta • Luiskan kaltevuus 1:0,5 – 1-1,5, riippuen maalajista

39. Virtausnopeuden altaassa tulisi olla korkeintaan 1-2 cm/s (pyörteisyys) • Virtausnopeuteen vaikutetaan tekemällä altaan poikkileikkauksesta riittävä • Poikkileikkauksen todelliseen hyöty pinta-alaan vaikuttaa altaan syvyys, laskuojan syvyys (vedenpinnan korkeus), luiskien kaltevuus, altaan leveys sekä maanpinnan kaltevuus • Altaan mitoitusneliöihin vaikuttaa laskuojan syvyys, luiskien kaltevuus sekä maanpinnan kaltevuus • Pyritään sijoittamaan tasaiselle paikalle • Lähtöojan kynnys mahdollisimman korkea • Loivennus eläimille • Ei tulvavyöhykkeelle

40. Kiitos mielenkiinnostanne! • Linkkejä hyödyllisiin materiaaleihin • Suomen metsäkeskuksen sivut: http://www.metsakeskus.fi/tausta-aineistot# • Taso-hankkeen sivut: • Metsätalouden vesiensuojelu – kouluttajan aineisto • http://www.ymparisto.fi/fi-FI/TASOhanke/Julkaisut