Metla Hanke 7006

Tekopohjaveden muodostaminen: imeytystekniikka, maaperäprosessit ja veden laatu

[  English  |  Tavoitteet  |  Tulokset  |  Hankkeen vetäjä  |  Tutkijat  |  Julkaisut  |  Tiedotteet  |  Metla Tutkimus  ]

Kesto: 1998-2002   

Tavoitteet

TEMU- tutkimushankkeen päätavoitteena oli kehittää tekopohjaveden imeytystekniikka ja muodostamisprosessi optimaaliseksi tekopohjaveden laadun, riittävyyden ja ympäristövaikutusten kannalta.

Taustaa

Suomessa pyritään siirtymään vedenhankinnassa pintavesien käytöstä pohjavesien käyttöön. Tekopohjaveden muodostamisen tavoitteena on tuottaa luonnollisen kaltaista pohjavettä mahdollisimman vähäisellä kemikaalien käytöllä. Tekopohjavettä on muodostettu maassamme jo 1970-luvulta lähtien imeytysaltaita käyttäen. 1990-luvulta lähtien useat suomalaiset kaupungit ovat käyttäneet myös uutta sadetusimeytys-menetelmää suoraan metsämaan läpi. Tällä hetkellä pohjaveden ja tekopohjaveden osuus vesilaitosten jakamasta vesimäärästä on noin 60 %, josta noin 15 % on altailla tai sadetuksella sora- ja hiekkamuodostumiin imeytettyä tekopohjavettä. Koska pohjavesivarat ovat Suomessa jakautuneet alueellisesti epätasaisesti, eikä kaupunkien lähettyvillä ole usein riittäviä pohjavesivaroja, tekopohjaveden käyttö tulee lähitulevaisuudessa edelleen lisääntymään.

Metlan yhteistyötahoja tutkimuksessa olivat Kansanterveyslaitos, Keski-Suomen ympäristökeskus, Lounais-Suomen ympäristökeskus, Suomen Pohjavesitekniikka Oy, Suomen ympäristökeskus ja Suunnittelukeskus Oy. TEMU-hanketta rahoittavat Tekes, maa- ja metsätalousministeriö ja osallistuvat tutkimuslaitokset.

Tulokset

Menetelmät

Veden laadun muuttumista raakavedestä luontaisen kaltaiseksi pohjavedeksi ja muutosprosessiin vaikuttavia tekijöitä maaperässä tutkittiin Hämeenlinnan Jyväskylän, Mikkelin ja Tuusulan seudun vesilaitosten tekopohjavesialueilla sekä Rauman ja Turun seudun vesilaitosten pienoismallikokeilla käyttäen sekä perinteistä allasimeytystä että uudempaa sadetusimeytystä.

Levy-, alipaine- ja vaakalysimetrien avulla pinta- ja vajovesivyöhykkeestä ja havaintoputkien avulla pohjavesivyöhykkeestä otettujen vesinäytteiden näytteenotto ja maaperänäytteiden näytteenotto sekä muut mittaukset suoritettiin kaikilla hankkeen tekopohjavesilaitoksilla yhteisen suunnitelman mukaan. Veden kemiallista laatua kuvaavat analyysit tehtiin pääosin Keski-Suomen ympäristökeskuksen, Metlan ja Suunnittelukeskus Oy:n laboratorioissa. Orgaanisen aineen yksityiskohtaiset tutkimukset (AOC, yhdisteiden kemiallinen luonne, molekyylipainojakauma) ja vesimikrobiologiset tutkimukset tehtiin Kansanterveyslaitoksen ympäristömikrobiologian laboratoriossa ja Metsäntutkimuslaitoksen keskuslaboratoriossa. Suomen Pohjavesitekniikka Oy vastasi pohjaveden virtaustutkimuksesta ja –mallinnuksesta kaikilla tutkimukseen osallistuneilla tekopohjavesilaitoksilla.

Tulokset

Raakaveden esikäsittelykokeiden perusteella jo varsin pienet kiintoainemäärät, varsinkin saviaines, aiheuttivat maaperän tukkeutumista. Veden pikasuodatus vähensi selvästi tukkeutumista. Useat kemialliset muuttujat osoittivat, että imeytetyn pintaveden laadussa ei TEMU-hankkeen tekopohjavesilaitoksilla tapahtunut juurikaan muutoksia pintavyöhykkeessä. Vajovesi heijasti näin ollen suurelta osin imeytettävää pintavettä. Eroja ei esiintynyt myöskään sadetusimeytyksen ja allasimeytyksen välillä.

Aiemman käsityksen mukaan imeytettävän pintaveden liukoisen orgaanisen hiilen pitoisuus voisi alentua jo maaperän pintavyöhykkeessä. Yhtäältä tähän ovat vaikuttaneet havainnot, joissa sadeveden muuttuessa luonnontilaiseksi pohjavedeksi tapahtuu selvä orgaanisen hiilen pidättyminen pintavyöhykkeen maannoskerrokseen. Maaperän pintavyöhykkeellä onkin luontaisen pohjaveden laadun kannalta keskeinen merkitys. Toisaalta tähän ovat vaikuttaneet ruotsalaiset allasimeytystutkimukset, joissa on havaittu pintavyöhykkeessä (imeytysaltaan pohjan suodatinhiekkakerroksessa) merkittävää orgaanisen hiilen vähenemää imeytetystä pintavedestä.

TEMU-hankkeen tekopohjavesilaitoksilla imeytettävän pintaveden TOC-pitoisuus ei kuitenkaan juurikaan vähentynyt pintavyöhykkeessä. Joillakin laitoksilla hienoista vähenemistä tapahtui syvemmällä vajovesivyöhykkeessä, mutta valtaosa pitoisuuden vähenemisestä tapahtui kaikilla tekopohjavesilaitoksilla kuitenkin vasta pohjavesivyöhykkeessä.

Sadetusimeytyksessä pintavyöhyke jopa lisäsi TOC- pitoisuutta vajovedessä. Tämä sopii hyvin myös metsämaan orgaanisen hiilen pitoisuusjakaumiin. Esimerkiksi Vuonteenharjulla orgaaninen hiili vähentyi humuskerroksessa ja sitä kulkeutui vajoveden mukana alemmas kivennäismaakerrokseen. Maaperän pintavyöhykkeeseen ja imeytysaltaan pohjan suodatinainekseen pidättyi pintaveden kiinteää orgaanista hiiltä. Liukoisen orgaanisen hiilen pitoisuus ei kuitenkaan vähentynyt pintavyöhykkeessä.

Tutkimus osoitti selkeästi, että orgaanisen aineen väheneminen tapahtuu pääosin vasta pohjavesivyöhykkeessä. Molekyylikooltaan suurimmat ja siten raskaimmat orgaanisen aineksen osat poistuivat kaikilla tekopohjavesilaitoksilla pienempiä osia tehokkaammin veden kulkiessa harjussa. Imeytystavalla ei ollut mainittavaa vaikutusta orgaanisen aineen poistoon imeytyvästä vedestä. Suurimolekyylisten orgaanisten yhdisteiden väheneminen johtunee suurten molekyylien pieniä molekyylejä paremmasta pidättymiskyvystä maaperään. Vedenottokaivojen tekopohjaveteen kulkeutunut orgaaninen aine ei pidättynyt yhtä hyvin. Se koostui pienimolekyylisistä, pitkälle hajonneista, kemiallisesti ja biologisesti stabiileista yhdisteryhmistä.

Liukoisen orgaanisen hiilen eri yhdisteryhmien jakauma eri tekopohjavesilaitosten raakavedessä vaihteli jonkin verran. Eniten raakavedessä oli hydrofobisia (PHoAc) ja hydrofiilisiä (PHiAc) orgaanisia happoja. Hydrofobisten neutraaliaineiden (PHoN) osuus raakavedessä oli vähäinen. Tämä osoittaa, ettei raakavedessä ole ihmistoiminnan tuottamia haitallisia aineita. Raakaveden hydrofiiliset neutraaliaineet (PHiN) ovat orgaanisen aineen vesiliukoisinta ja vaikeasti poistettavaa osiota. Neutraaliaineista (sekä hydrofiilisistä että hydrofobisista) jäi merkittävä osa vedenottokaivojen tekopohjaveteen.

Vedessä ja maaperässä elävien mikrobien hajotustoiminta voi myös pilkkoa suurikokoisia molekyylejä pienemmiksi. Tekopohjavedessä todettu pienimolekyylinen orgaaninen aine sisälsi suhteellisen runsaasti mikrobeille käyttökelpoista orgaanista hiiltä (AOC). Mikrobien lukumäärä ja metabolinen aktiivisuus vähenivät tekopohjaveden virtausmatkan pidentyessä. Tekopohjaveteen jäi tästä huolimatta mikrobeja, jotka kykenivät suotuisissa olosuhteissa aloittamaan voimakkaan kasvun. Mikrobien kasvukyky tekopohjavesinäytteissä osoitti, että veteen jäi myös mikrobien kasvun kannalta välttämättömiä ravinteita kuten hiiltä ja fosforia, joiden pitoisuudet kuitenkin alenivat viipymäajan lisääntyessä. Maaperä ja sen ominaisuudet vaikuttivat mikrobien kasvua säätelevien ravinteiden suhteisiin: Vuonteenharjua lukuunottamatta orgaanisen hiilen merkitys mikrobikasvua säätävänä tekijänä vähentyi tekopohjavesivirtauksen aikana, ja näin fosforista tuli orgaanista ainetta tärkeämpi mikrobien kasvua säätelevä tekijä. Tekopohjavedessä mikrobikasvu on kuitenkin vähäisempää ja “puskuroidumpaa” kuin pintavedessä tai vain lyhyen aikaa maaperässä virranneessa vedessä.

Bakteerien ja virusten käyttäytymistä tekopohjaveden muodostamisessa tutkittiin pienoismallikokeella. Tulosten mukaan bakteriofagit poistuivat suodatuksen ja adsorption avulla harjussa tehokkaasti.

Maaperän rakenteella (raekoostumus, vedenjohtavuus) ja veden viipymäajalla maaperässä on ratkaisevan tärkeä merkitys tekopohjaveden TOC- pitoisuuden vähenemiselle. Tekopohjaveden TOC-pitoisuuden TEMU-hankkeen tavoitepitoisuus - alle 2 mg/l - saavutettiin eri tekopohjavesilaitoksilla eri viipymäajoilla ja eri etäisyyksillä imeytysalueesta: 7-80 vrk ja 160-1300 m, kun tuloksista oli poistettu luontaisen pohjaveden laimentava vaikutus. Orgaaninen hiili väheni tekopohjavedestä 60-prosenttisesti, kun viipymäajat olivat 10-35 vrk ja 70-prosenttisesti, kun viipymäajat olivat 20-60 vrk. Tutkittujen tekopohjavesilaitosten keskimääräiset vedenjohtavuudet vaihtelivat tekopohjaveden päävirtausvyöhykkeessä 0,00029-0,0012 m/s.

Perusteelliset tekopohjavesitutkimukset ovat välttämättömiä pohjavesiesiintymien mittasuhteiden ja hydraulisten ominaisuuksien tuntemiseksi. Näiden avulla voidaan tehdä tekopohjavesilaitosten mitoitus.Pohjavesiesiintymän hydrauliset ominaisuudet ratkaisevat mihin uuden tekopohjavesilaitoksen imeytys- ja kaivoalueet tulisi sijoittaa tai miten jo toimivaa laitosta tulisi säätää vedenlaadun optimoimiseksi. Eri tekopohjavesilaitoksilla voi esiintyä sangen erilaajuisia aluetarpeita samojen vesimäärien ja vedenlaatumuutosten aikaansaamiseksi.

Tekopohjavesilaitoksen suunnittelussa ja käytön aikana tulee ottaa huomioon alueen maaperän ominaisuudet. Tällöin voidaan välttää tekopohjaveden muodostamisen aiheuttamat pohjaveden virtausolosuhteiden muutokset, jotka voivat vaikuttaa haitallisesti ympäristöön, esimerkiksi lähteisiin, kosteikkoihin ja kaivoihin.

Tekopohjaveden muodostaminen muuttaa aina imeytysalan maaperää ja kasvillisuutta sekä harjun pohjaveden virtaamia. Maaperän kemiallisen tilan (pH:n kohoaminen, ravinteisuuden lisääntyminen) ja kasvillisuuden lajikoostumuksen muutokset ovat väistämättömiä ja pitkäaikaisia. Imeytysalueiden tulisikin olla pienialaisia pohjaveden muodostumisalueen kokoon verrattuna. Sadetusimeytyksessä maaperän ja kasvillisuuden lepääminen imeytysten välillä on välttämätöntä imeytyksen pitkäaikaiselle toimivuudelle. Imeytysalueita on kuitenkin ensisijaisesti pidettävä tekopohjaveden tuotantoalueina. Tämän vuoksi imeytysalueiksi ei tule valita arvokkaita elinympäristöjä tai mieluiten luonnontilaisina säilytettäviä alueita.

Hankkeen loppuraportti julkistettiin hankkeen loppuseminaarissa ja tiedotustilaisuudessa syksyllä 2003.

Tulosten hyödyntäminen

Tutkimustyön tulokset edistävät vesilaitosten vedenhankinnan suunnittelua ja toteutusta. Vesilaitosten vedenhankinnan edistyminen kasvattaa yleistä alan tietotaitoa ja parantaa alalla toimivien yritysten toimintaedellytyksiä kotimaassa ja ulkomailla. Samalla luodaan edellytyksiä myös uudelle yritystoiminnalle. Tutkimuksen tuloksia hyödyntävät välittömästi veden hankintaansa allas- ja sadetusimeytystä käyttävät vesilaitokset ja niihin liittyvää tekniikkaa tekevät yritykset. Hankittua tietotaitoa käytetään kotimaisissa tekopohjaveden muodostamiseen liittyvissä hankkeissa. Tutkimuksen tuloksia hyödyntää myös tiedeyhteisö.

Tutkimustyöhön osallistuneet tutkimuslaitokset ja tutkijat



Tutkimustyöhön osallistuneet vesilaitokset ja yritykset

TEMU-hankkeen julkaisut


Hankkeen vetäjä: Helmisaari, Heljä-Sisko

Muut tutkijat: Derome, John, RO (1998-2000),Kitunen, Veikko, ES (1998-2001), Lindroos, Antti-Jussi, VA (1999-2001), Smolander, Aino, VA (1998-2001)


Sivun alkuun

Tämä sivu on tuotettu Metlan tietokannasta 12.06.2012
Palaute