Virtausolosuhteiden ja geometrian yhteys kiintoaineen pidättymiseen vesiensuojelualtaissa

Abstract

Rehevöityminen heikentää sisävesien laatua ja hankaloittaa niiden hyödyntämistä. Pitkälti syy on maatalouden ja yhdyskuntien valumavesien sisältämissä ravinteissa. Sisävesien laadun heikkeneminen aiheuttaa huomattavia yhteiskunnallisia kustannuksia. Laskeutusaltaiden ja kosteikkojen muodostamat rakenteet ovat yksi vesiensuojelun keino, jolla valumavesiä pyri-tään puhdistamaan. Suomen ilmasto-oloissa toiminta perustuu pitkälti siihen, että virtauksen hidastumisen seurauksena kiintoaines ja siihen sitoutuneet ravinteet laskeutuvat altaiden pohjalle.

Tämän pro gradu -tutkielman tavoitteena on lisätä ymmärrystä siitä, miten kosteikkoaltaiden geometria ja virtausolosuhteet vaikuttavat altaiden kykyyn pidättää kiintoaineskuormaa. Tut-kielman etuna aikaisempaan tutkimukseen verrattuna on kosteikkojen topografian tarkka, mittauksiin perustuva mallintaminen. Tutkimuksessa vertaillaan kahta Säkylän Pyhäjärven va-luma-alueella sijaitsevaa laskeutusallas–kosteikko-rakennetta.

Altaiden vedenpäälliset pinnanmuodot kartoitettiin maastolaserkeilauksella ja vedenalaiset osat ADCP:n integroidun kaikuluotaimen sekä VRS-RTK-GNSS:n avulla. Tarkkoja korkeusmal-leja käytettiin 2D- ja näennäis-3D-virtausmallien tausta-aineistona, joilla simuloitiin altaiden virtauskenttiä eri vuodenaikojen virtaamahuipuissa. Altaisiin tulevaa ja niistä lähtevää virtaa-maa seurattiin vedenpaineanturien avulla huhtikuusta joulukuuhun vuonna 2017. Samoin seurattiin altaiden vesimäärän vaihtelua. Vedenlaatuaineisto koostui jatkuvatoimisten sa-meusmittarien tuottamasta aineistosta, joka kalibroitiin ja muunnettiin kiintoainespitoisuu-deksi laboratoriossa analysoitujen vesinäytteiden avulla. Aineistojen yhdistelmällä tarkastel-tiin vedenlaadun yhteyttä virtaamaan, altaiden vesipinta-alojen ja tilavuuksien vaihtelua sekä virtauskenttien vaikutuksia kiintoaineen laskeutumiseen ja uudelleensuspensioon.

Tutkielman tulokset osoittavat, etteivät yksittäiset vesiensuojelurakenteen toimintaa selittä-vät suureet riitä indikoimaan kiintoaines- tai ravinnekuormien pidättymistä. Veden viipymä vaikuttaa olevan tärkeä toimintaa edistävä tekijä, mutta hyvä hydraulinen tehokkuus ei au-tomaattisesti johda kiintoaineskuorman pidättymiseen. Virtauskentät tulisi huomioida suun-nitteluvaiheessa. Laskeutusallas–kosteikko-rakenteessa varsinkin alajuoksun puoleisen kos-teikkoaltaan virtausolosuhteilla ja pinnanmuodoilla näyttäisi olevan merkitystä kiintoaineen pidättymiselle. Vesiensuojelualtaiden toimintaa olisi hyödyllistä tarkastella läpi vuoden ajalli-sesti tiheällä aineistolla virtaamista sekä ravinne- ja kiintoaineskuormista.

Eutrophication degrades the quality of freshwaters and hinders their utilisation. Much of the nutrients causing eutrophication are introduced to water bodies in runoff from agricultural and residential areas. The degradation of freshwaters causes notable costs for societies. Pond–wetland treatment systems are one of the means used in water protection to purify runoff from these areas. In the Finnish climate their retention performance relies heavily on sedimentation of total suspended solids (TSS) and attached nutrients.

The goal of this thesis is to improve knowledge on how geometry and flow conditions of ponds and wetlands affect their ability to retain TSS load. The advantage of this thesis com-pared to previous studies is the utilisation of accurate, measurement-based modelling of pond and wetland topography. This study compares two pond–wetland treatment systems in SW Finland.

Dry topography was mapped with terrestrial laser scanning and bathymetry of the treatment systems was mapped with the use of integrated sonar of an ADCP platform and VRS-RTK-GNSS. Combined DEMs were used as input data in 2D and quasi-3D flow modelling that simu-lated flow during seasonal peak discharges. Flow in and out of the treatment systems was measured with water pressure sensors from April to December in 2017. Water quality data was derived from continuous turbidity sensor data that was calibrated and converted to TSS content with water samples analysed in laboratory. The combination of different data was utilised to analyse connections between water quality and discharge, the changes in the treatment systems’ water area and volume and finally the effects of flow patterns on TSS sedimentation and resuspension.

Results show that single factors thought to influence the treatment process do not ade-quately indicate the way a treatment system functions. Water residence time seems to be an important factor for water purification but good hydraulic efficiency does not necessarily lead to retention of suspended solids. Flow patterns should be taken into account in planning. In pond–wetland treatment systems flow characteristics and geometry of the downstream wetland in particular seem to be of importance to retention performance. Operation of ponds and wetlands should be monitored throughout the year with high frequency data on discharge together with nutrient and TSS loads.