Asiantuntijajutut

Luontopohjaisia ratkaisuja tulvien ja hulevesien hallintaan

ke helmik. 27 12:33:00 2019

Teksti: TkT, tutkijatohtori Kaisa Västilä, Aalto-yliopisto, Vesi- ja ympäristötekniikan tutkimusryhmä TkT,
tutkija Juha Järvelä, Aalto-yliopisto, Vesi- ja ympäristötekniikan tutkimusryhmä
Kuvat: Kaisa Västilä ja Susa Laine

Uuden tutkimustiedon avulla vesirakentamista voidaan edelleen kehittää muun muassa valuma-alueilta kulkeutuvan ravinnekuorman vähentämiseksi.
 

Vaikka viime kesänä vedenpinnat ovat erityisesti pienissä vesistöissä olleet ajankohtaan nähden alhaisia, ovat sadejaksoista ja lumensulannasta johtuvat suuret vedenkorkeudet toistaiseksi tyypillisempi haaste Suomen virtavesistöissä.

Vaihtoehtona tavanomaisille, ympäristövaikutuksiltaan haitallisille uomaperkauksille on maatalous-, metsätalous- ja taajama-alueilla aloitettu käyttämään luontopohjaisia ratkaisuja. Tällaisia ovat esimerkiksi tulvatasanteelliset keskitasouomat, jotka varmistavat tulvien ja hulevesien hallinnan pitkälle tulevaisuuteen. Lisäksi on näyttöä, että ratkaisut parantavat vedenlaatua ja monipuolistavat eliöstön elinympäristöjä.

Liikavesien tehokkaan poisjohtamisen varmistamiseksi ja tulvimisen hallinnaksi on Suomessa perattu laajasti luonnonuomia – noroja, puroja ja jokia – jo ainakin kolmen vuosisadan ajan. Lisäksi maatalous-, metsätalous- ja taajama-alueiden kuivatusvesiä on johdettu läheisiin uomiin avo- ja salaojituksella sekä hulevesiviemäröinnillä. Vaikka nämä toimet eivät ole muuttaneet vesiluontoa yhtä voimallisesti kuin osassa tiheämmin asuttua Eurooppaa, ovat ne aiheuttaneet merkittäviä ympäristövaikutuksia laajassa osassa maatamme.

Perkauksissa uomat kaivetaan tavallisesti syvemmiksi ja leveämmiksi verrattuna vastaavissa virtaamaoloissa luonnollisesti kehittyvään uomageometriaan. Samoin luontaisesti maastossa mutkittelevia uomia on suoristettu ja niistä on poistettu kasvillisuutta, kivi- ja puuainesta sekä koskipaikkoja virtausvastuksen ja vedenkorkeuksien alentamiseksi.

Tasasyvyisiksi ja -levyisiksi peratut purot ja joet ovat usein sekä ekologiselta että rakenteelliselta tilaltaan heikkoja, sillä ne tarjoavat elinympäristöjä vain harvoille eliölajeille. Perkauksissa häiriintyvät myös uomien kasvillisuuden ja mikrobien ylläpitämät luonnolliset vedenpuhdistusprosessit, jolloin kiintoaine, ravinteet ja haitta-aineet pääsevät kulkeutumaan valuma-alueelta alapuolisiin sisävesistöihin ja aina mereen asti.

Maa- ja metsätalouden kuivatusvesien sekä taajamien hulevesien mukana vesistöihin päätyvä kuormitus rehevöittää vastaanottavia vesistöjä ja heikentää vesielinympäristöjen laatua.

Vaikka perkaukset ovat parantaneet maankuivatusta ja tulvanhallintaa, on vaikutus usein väliaikainen uomien madaltuessa pohjaan kasautuvan kiintoaineen vuoksi. Näistä syistä on ryhdytty kehittämään perkauksia ympäristöystävällisempiä vaihtoehtoja, joista yksi esimerkki on tulvatasanteelliset kaksitasouomat.

Kuva 1. Perinteinen uomaperkaus tähtää vedenjohtokyvyn parantamiseen, kun taas tulvatasanteellinen poikkileukkaus paitsi varmistaa tehokkaan tulvanhallinnan ja maankuivatuksen, myös mahdollistaa vesistökuormituksen hallinnan ja virtavesistön ekologisen tilan parantamisen niin maatalous- kuin taajama-alueilla.

Perkauksista kohti luontopohjaista lähestymistapaa

Ympäristöarvojen korostuessa ja ilmastonmuutoksen edetessä tarve uudenlaisille vesirakennusratkaisuille on ilmeinen. Virtavesiä voidaan menestyksekkäästi ennallistaa sellaisissa kohteissa, joissa ihmisen toiminnan vaikutus on vähentynyt esimerkiksi viljelyn tai metsätalouden muuttumisen seurauksena. Maatalous- ja kaupunkialueillakin kalaston olosuhteita on saatu merkittävästi parannettua kohdennetuilla elinympäristökunnostuksilla, joissa esimerkiksi palautetaan uomiin kutusoraikkoja.

Vesistökuormitusta taas on pyritty hillitsemään valuma-alueella tehtävillä toimilla, kuten kosteikoilla, vesistöjen varsien suojakaistoilla ja hulevesien imeyttämisellä ja haihduttamisella. Pääosin maa- ja metsätalousalueilta peräisin olevien ravinnepäästöjen vähentämiseen on kuitenkin ollut vaikeaa löytää tehokkaita menetelmiä; valuma-alueella tehtävät toimet eivät ole riittävästi alentaneet typpi- ja fosforikuormitusta sisävesistöihin ja Itämereen.

Useissa tapauksissa on tarpeen uomien ekologisen tilan parantamisen lisäksi kohentaa maankuivatuksen toimintaa ja uomien vedenjohtokykyä. Tällöin puhutaan luonnonmukaisesta – tai luontopohjaisesta – tulvien ja hulevesien hallinnasta. Luontopohjaisissa menetelmissä vesiympäristön rakenteelliset ratkaisut toteutetaan luonnon prosesseja hyödyntäen. Tavoitteena on säilyttää ja palauttaa vesistöjen rakenteellinen ja toiminnallinen monimuotoisuus. 

Luontopohjaisessa tulvanhallinnassa ja maankuivatuksessa voidaan hallitusti palauttaa uomiin sieltä aikoinaan poistettuja luonnon elementtejä, esimerkiksi kasvillisuutta, monimuotoisia uomapoikkileikkauksia ja erilaisten vesisyvyyksien ja virtausnopeuksien alueita. Ratkaisut vaativat insinööritaitoa, sillä ne eivät saa aiheuttaa ei-toivottua tulvimista ympäröiville tai yläpuolisille alueille. Tällöin kuvaan astuvat hydrauliset laskelmat ja virtausmallit, joilla pyritään ennustamaan vedenkorkeus uoman varrella erilaisissa virtaustilanteissa.

Uusien ratkaisujen suunnittelua ja mitoitusta voidaan kehittää tutkimustiedon avulla. Esimerkiksi valtaojien, purojen ja jokivarsien kasvillisuuden määrä vaikuttaa merkittävästi vedenkorkeuksiin, virtausoloihin ja aineiden kulkeutumiseen.

Aalto-yliopistossa on kehitetty virtauskouru- ja maastomittausten pohjalta suunnittelijoille ja viranomaisille käyttökelpoisia menetelmiä kasvillisuuden vaikutusten ennustamiseen niin uomien mitoituksen kuin tulvamallinnuksen tarpeisiin. Menetelmät ovat kytkettävissä yleisesti käytettyihin laskentakaavoihin ja virtausmallinnusohjelmistoihin.

 

Ympäristöystävällisiä maankuivatusratkaisuja

Yhtenä tapana yhdistää maankuivatus- ja ympäristötavoitteet on käyttää pääuomasta ja tulvatasanteesta muodostuvaa kaksitasoista uomapoikkileikkausta, kun perinteisessä perkauksessa uoma kaivetaan poikkileikkaukseltaan puolisuunnikkaan muotoiseksi.

Kaksitasouomaratkaisussa alivesiuomassa säilyy kohtuullinen vesisyvyys ja virtausnopeus pienemmilläkin virtaamilla, mikä parantaa eliöstön elinolosuhteita ja mahdollistaa muun muassa elinympäristöjen kunnostamisen. Ylivirtaamatilanteissa vesi nousee joko toiselle tai molemmille puolille kaivetuille tulvatasanteille, joiden kasvillisuus pidättää ravinteita ja haitta-aineita sekä käsittelee niitä vähemmän haitalliseen muotoon. Lisäksi kaksitasouomilla odotetaan olevan etuja eroosion ja kiintoaineen kulkeutumisen kannalta.

Kaksitasouomaratkaisua alettiin maailmalla kehittää ensiksi tulvasuojelun tarpeisiin. Sittemmin kaksitasouomia on rakennettu maatalousalueille, ja tutkimusta kaksitasouomista on tehty muun muassa Yhdysvaltain Keskilännessä. Suomessa kaksitasouomaratkaisua on tieteellisesti tutkinut Aalto-yliopisto Ritobäckenin koekohteella Sipoossa, alkaen rakentamisvuodesta 2010.

Ulko- ja kotimaisissa koekohteissa ylivirtaamien aikaiset vedenkorkeudet ovat tasanteiden myötä alentuneet, mikä puolestaan parantaa salaojien ja hulevesiviemäreiden toimintaa. Lisäksi on vahvistettu, että kasvittuneet tulvatasanteet pidättävät merkittävästi kiintoainetta – Suomen oloissa keskimäärin noin sentistä pariin per vuosi.

Jo muutaman sadan metrin pituisen, optimaaliselle korkeudelle rakennetun tulvatasanteen on arvioitu voivan alentaa kiintoainekuormaa noin kymmenen prosenttia. Saavutettava vedenlaatuparannus kasvaa tulvatasanteen pituuden kasvaessa. Suhteessa ratkaisun vaatimaan pinta-alaan tulos on huomattavan hyvä verrattuna esimerkiksi vesiensuojelukosteikkoihin.

Ulkomaisissa kohteissa kaksitasouomien on havaittu vähentävän alapuolisiin vesistöihin kulkeutuvaa ravinnekuormitusta fosforin osalta. Myös typenpoisto voi tehostua, kunhan vesi nousee tasanteelle riittävän usein. Kansainvälisen tutkimustiedon perusteella voidaan odottaa, että kaksitasouomilla on saavutettavissa ravinnekuormituksen vähenemistä myös Suomen ilmasto-oloissa, mutta toistaiseksi asiaa ei ole selvitetty.

 

Kuva 2. Tulvatasanteellinen kaksitasouoma Sipoon Ritobäckenillä. Alivesiuoman oikealla puolella on reilut kahdeksan vuotta sitten rakennettu tulvatasanne, joka on alentanut ylivirtaama-aikaisia vedenkorkeuksia ja parantanut veden laatua. Keväällä otettu kuva näyttää, että uoma on toiminut toivotulla tavalla. Taipunut ruohokasvillisuus osoittaa, että lumensulantavedet ovat virranneet tulvatasanteella, mutta pellon reunassa ei näy tulvan jälkiä.

 

Kuva 3. Aalto-yliopistossa luontopohjaisia ratkaisuja tutkitaan niin laboratoriovirtauskouruja, kenttämittauksia kuin numeerista mallinnusta hyödyntäen. Kourumittauksilla voidaan selvittää fysikaalisia virtaus-, kulkeutumis- ja pidättymisilmiöitä hallituissa olosuhteissa, kun kenttämittauksilla parannetaan ymmärrystä virtauksen ja biologisten sekä kemiallisten prosessien välisistä vuorovaikutuksista.

Kaksitasouomien toteutuksesta

Kustannustehokkainta on rakentaa kaksitasouoma silloin, kun aiemmin perattu uoma vaatii kunnossapitoa vedenjohtokyvyn heikennyttyä. Tällöin ylläpitoperkauksen sijasta suunnitellaan tulvatasanne toiselle tai molemmille puolin olemassa olevaa uomaa.

Uoman optimaalisen toiminnan kannalta tasanteen olisi tämän hetkisen tiedon mukaan hyvä olla noin vuotuista keskivirtaamaa vastaavalla vedenkorkeudella: tällöin se on veden peitossa keskimäärin noin 2–4 kuukautta vuodessa.

Tasanteen leveys puolestaan mitoitetaan niin, että uoma kykenee ympäröiville alueille tulvimatta ja kuivavara huomioiden johtamaan halutun mitoitusvirtaaman. Kaksitasoinen poikkileikkaus voidaan vaihtoehtoisesti toteuttaa vain osalle uomapituudesta, mutta hyödyt kasvavat kaksitasouomaosuuden pituuden mukana.

Pääuomaa tai toista luiskaa ei useimmiten ole tarpeen kaivaa auki vedenjohtokyvyn kannalta, mutta kuivatussyvyyden varmistamiseksi pohjan alentaminen voi olla tarpeen. Ympäristöhaittojen minimoimiseksi suunnittelussa kannattaa pyrkiä jättämään mahdollisimman suuri osa olemassa olevaa poikkileikkausta kaivamatta, jolloin kasvillisuus suojaa maata eroosiolta. Tähänastisten kokemusten perusteella erityyppisillä maalajeilla toteutetuilla tulvatasanteilla ei ole juurikaan havaittu haitallisen voimakasta luiskaeroosiota tai muita ongelmia stabiiliuden kannalta.

Kaksitasouoman rakentamiskustannukset riippuvat etupäässä uomapoikkileikkauksen mitoituksesta. Kaivettua maakuutiota kohti kustannukset voivat olla jopa alhaisemmat kuin tavanomaisessa perkauksessa. Kaksitasopoikkileikkaus mitoitetaan kuitenkin yleensä jonkin verran suuremmaksi kuin ylläpitoperkaus, mikä nostaa kustannuksia uomametriä kohden.

Vaikka kaksitasouoman toteuttaminen vaatii ylläpitoperkausta enemmän kaivutyötä, uoman odotettavissa oleva pidempi elinkaari tasaa kustannuksia keskipitkällä aikavälillä. Tavanomainen perattu uoma vaatii mitoituksesta riippuen ylläpitoperkausta noin 15–50 vuoden välein, sillä uomien pohjien liettyminen alentaa vedenjohtokykyä ja kuivatussyvyyttä ja voi siten aiheuttaa tulvia ja haitata salaojituksen ja hulevesiviemäröinnin toimintaa.

Kaksitasouomaratkaisussa virtausnopeus säilyy kapeassa alivesiuomassa kohtalaisena, jolloin kiintoaineen kasautuminen uoman pohjaan vähenee ja kuivatustila säilyy pidempään. 

Koekohteissa on vahvistettu, että kaksitasouoma varmistaa hyvän vedenjohtokyvyn pitkälle tulevaisuuteen, kunhan uomia ylläpidetään asianmukaisesti. Ratkaisu ei vaadi kajoamista uoman pohjaan yhtä usein kuin perinteinen perkaus, jolloin vedenalaisen kaivun aiheuttamat ympäristövaikutukset jäävät pois. Toisaalta mitoituksesta riippuen tulvatasanteita täytyy varautua alentamamaan kuivakaivuna arviolta 20–30 vuoden välein. Lisäksi pensasmaista kasvillisuutta voi olla tarpeen ajoittain harventaa vedenjohtokyvyn ylläpitämiseksi.

Kaiken kaikkiaan tulvatasanteellista uomaratkaisua voidaan käyttää laajasti vaihtoehtona yllä­pito­perkaukselle erityyppisissä kui­vatusta ja tulvanhallintaa vaativissa kohteissa niin maatalous-, metsätalous- kuin taajama-alueilla.

Tutkimustyötä ympäristöystävällisen vesirakentamisen tueksi

Vesirakentamisen pitää pystyä vastaamaan ilmastonmuutoksen, ympäristöongelmien, kaupungistumisen ja maatalouden muuttuvien olosuhteiden asettamiin vaatimuksiin. Vesi- ja ympäristöalan ammattilaisten haasteena onkin entistä enemmän siirtyä kohti kokonaisvaltaista, luontopohjaista tulvien, hulevesien ja maankuivatuksen hallintaa.

Aalto-yliopistossa tehtävässä tutkimuksessa näemme tärkeänä kehittää – yhteistyössä sidosryhmien kanssa – vesirakentamista, tulvien ja hulevesien hallintaa sekä maankuivatusta ekologisesti, taloudellisesti ja sosiaalisesti kestäväksi. Osaamisen parantaminen tuottaa selkeitä hyötyjä, koska rakenteiden optimaalinen mitoitus varmistaa niiden suotuisan kustannus-hyötysuhteen.

Yhtenä aihepiirinä jatkamme tutkimustamme kaksitasouomien toiminnasta, mitoituksesta ja ylläpidosta; käynnissä olevassa hankkeessa pyritään määrittämään kaksitasouomien mahdollisuudet fosforin ja typen pidättämiseen Suomen tyypillisissä maaperä- ja ilmasto-oloissa.

Takaisin edelliselle sivulle