1. No category

Teema 2: Vesivarat ja maankäyttö.
Johdanto ja tehtävänanto
Björn Klöve, Vesi- ja
ympäristötekniikan tutkimusryhmä
1
Luennon aiheet
• Vesivarat Suomessa ja muualla
• Vesien käyttö ja ekosysteemipalvelut
• Vesivarojen käyttöön liittyviä ongelmakohtia
•
•
•
•
Vesivarat ja maankäyttö
Vesivarojen hallinta
Hydrologinen kierto hydrologiset prosessit
Tekniikat ja menetelmät vesivarojen
hallinnassa
2
Vedestä on moneksi
• Vesi liittyy kiinteästi yhteiskuntien kehitykseen
– Riittävät vesivarat ja turvallinen vesihuolto osana hyvää
elämänlaatua
– Asustus muodostunut vesien äärellä (mm. vesiliikenne,
vesien saatavuus)
• Vesien tehokas hyödyntäminen mahdollistanut
yhteiskuntien voimakkaan kehittymisen
• Maaperän kastelu- ja kuivatustekniikoiden kehittymine
mahdollistanut ruoan tuotannon isolle ihmisjoukolle
• Vedellä moninainen rooli (energia, ruoka, talous,
kulttuurit, uskonnot, etc)
• Vesi vaikuttaa turvallisuuteen (tulvat, kuivuus jne)
• Vesitekniikka pitkä perinne insinööritieteenä, koska
veden käytön suunnittelu osana yhteiskuntaa
3
Vesi keskeinen osa yhteiskuntaa (EU tavoite hyvä vesiturvallisuus, usea
raakaveden lähde esim. onnettomuuden varalle)
4
Ruoka, Vesi ja Energia
3 keskeistä haastetta tulevaisuudessa
9,2
Increases (% ) in Meat production
and in Population; 1961-2002
6,2
500
450
350
Pigmeat
Chicken meat
Population
300
250
200
150
100
50
0
19
61
19
65
19
69
19
73
19
77
19
81
19
85
19
89
19
93
19
97
20
01
Relative to yr 1961
400
5
Vesivarat Suomessa ja muualla
• Makea vesi varastoitunut jäätiköihin, maaperään
ja vain pieni osa pintavesiin
• Suomessa käyttökelpoinen vesi on järvissä, joissa
ja pohjavesiesiintymissä (mm. harjut)
6
Pohjavesiesiintymät
• Jääkauden aiheuttamia
hiekka ja sora muodostumia,
jossa vesi on varastoitunut
huokosissa
• Muodostumat jään
vetäytymissuunnassa
• Reunamuodostumat
(salpausselät)
• Tärkeä vesihuollon kannalta
7
Pintavedet
Vesistöjen heikkoon tilaan vaikuttavat päästöt:
• Maatalous
• Metallienpäästöt sulfidimailla
1) Sulfidisedimenttien ojitus
2) Sulfidien hapetus ja
rikkihapon vapautuminen ja metallien
liukeneminen etenkin kuivan kauden ja
siitä seuraavan valunnan jälkeen
• Vesirakentaminen (säännöstely)
• Yhdyskunnat
• Teollisuus
8
Vesien tilaluokitus
• Ennen vesistöjen tilaa luokiteltiin niiden
käyttöarvojen mukaan (mm. uimaveden laatu)
• Vesistö ja pohjaveden ekologinen tilaluokittelu
tullut Suomeen EU vesipuitedirektiivin myötä
(veden määrä ja laatu tulisi olla hyvä)
• Jos tila huono, on vesistön tilaa parannettava.
Toimet vesienhoidon suunnitelmassa (esim. IIjoki ja Oulujoen vesistösuunnitelma)
9
Vesien ja maankäyttöä ohjaa eri
kansalliset lait ja asetukset, EU sekä
kansainväliset sopimukset
• Vesilaki, Koskiensuojelulaki, YVA laki,
Ympäristönsuojelulaki jne
• EU lainsäädäntö Vesipuitedirektiivi, Pohjavesidirektiivi,
Habitaattidirektiivi (Natura 2000 alueet) jne
• EU: Common Agricultural Policy (CAP)
• Helcom, Ramsar sopimus, IPCC, milenniumtavoitteet
ym kansainväliset sopimukset
10
Vesien käyttö ja veden tarjoamat
ekosysteemipalvelut
•
•
•
•
•
•
Hyvä vesihuolto tärkeä osa hyvinvointia
Vesien virkistyskäyttö
Vesivoima
Kastelu ja ruoan tuotanto
Vesiliikenne
Jätevesien purkupaikka
11
Vesivarojen käyttöön ja hallintaan
liittyviä ongelmia
Vesien käyttö
• Veden riittävyys
• Veden liikakäyttö
• Veden huono laatu
• Vesien pilaantuminen
• Tulvat ja kuivuus
Maan käyttö
• Eroosio
• Maaperän tiivistyminen ja
suolaantuminen
• Maatalouden kuormitus
• Maatalouden vedentarve
Ilmaston muutos
12
13
Tulvien ja kuivuuden vakavat
vaikutukset vähentyneet
14
Jääpato 2013 ja tulva keväällä
15
SAASTUMINEN JA ELÄMÄN LAADUN HEIKKENEMINEN
16
Kuivuus
Kuivuuteen kuten tulviin on varauduttava. Kuivuuteen varautuminen
lisää kustannuksia.
Suomessa vesihuollon ongelma vain pienissä laitoksissa. Huomioitava
suunnittelussa ja ympäristövaikutusten arvioinnissa.
Ongelmia: USA (Kalifornia), Australia, Afrikka, Etelä-Eurooppa jne.
17
Vesi, kehitys, tasa-arvo
18
PUUTTEELLINEN VESIHUOLTO VIELÄ TOSIASIA!!!
Many of the 8 Millennium Development Goals relate to water
19
Vesivarat ja maankäyttö
• Miten eri toimintoja tulisi sijoittaa/suunnitella/yhteen sovittaa?
• Miten joku toiminta vaikuttaa vesien tilaan?
• Miten vesistön tilaa voidaan parantaa?
20
Maankäytön vaikutukset vesistöissä
• Yhdyskunnat ja teollisuus: orgaaninen kuormitus
kuluttaa happea vesitöissä, ravinteet (typpi ja
fosfori) rehevöittävät, metallit ja muut päästöt
voivat olla myrkyllisiä
• Maanviljely: ravinteet ja kasviensuojeluaineet
voivat aiheuttaa merkittävää haitta ja riksin
vesihuololle
• Kaivokset: metallit, kemikaalit, onnettomuudet
• Kaatopaikat, teollisuus, ratapihat, kaatopaikat
yms. monia ongelmia kuten öljyt ongelmallisia
21
Periaatteita vesiensuojelussa
• Polluter pay – periaate
• Tietoisuuden periaate (toimijan tiedettävä
vaikutukset)
• Pilaamisen estäminen (erittäin haitalliset aineet)
• Saastumisen rajoittaminen (haitalliset aineet)
• Vesien hyvä tilan saavuttaminen ja ylläpitäminen
• Vesien moninaiskäyttö ja vesistöjen, pohjaveden
ja merialueiden yhdennetty suunnittelu
• Kustannustehokkuuden huomioiminen
toimenpiteitä valittaessa
22
Tarvittava tietopohja vesitekniikassa
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Hydrologia (geofysiikka)
Geomorfologia (maantiede)
Geokemia ja kemia
Limnologia
Ekologia
Sosiologia ja taloustiede
Maa- ja metsätieteet
Laskennalliset tieteet
Insinööritieteet (hydrologia, hydrauliikka,
vesirakennus, maankuivatus, kunnostus, mallinnus,
kustannus-hyötyanalyysit jne)
23
Keskeiset ilmiöt
• Hydrologinen kierto ja sen komponentit
–
–
–
–
Haihdunta, sadanta, valunta jne.
Vesin liike maaperässä
Vesi liike uomissa (joet/järvet)
Aineiden kulkeutuminen vesistöissä ja pohjavedessä
• Veden laatuun vaikuttavat tekijät
–
–
–
–
–
Kiintoaineen eroosio ja kulkeutuminen
Ravinnepäästöt ja ravinteiden (N,P) kemia
Orgaaninen aine vesistöissä
Haitalliset aineet ja niiden reaktiot (metallit, myrkyt)
Limologia (levien kasvu, biodiversiteetti)
– Habitaattien vaatimukset (esim. millaiset virtausolosuhteet lohi
vaatii lisääntyäkseen)
24
Haittallisen päästön hallinta ja laskenta
•
Ilmiön tunnistus ja
ongelman rajaus
Ongelman mallinnus
Ja ratkaisu
25
Tekniikat ja menetelmät vesivarojen
hallinnassa
Käyttöä ohjaavat konseptit
• Vesijalanjälki
• Vihreä ja sininen
Laskentatyökalut
• Vesimäärän ja laadun ennustaminen
Toimenpiteet ja vesirakentaminen
• Vesien hankinta, kastelu, kuivatus, vesien suojelu
jne
26
VESITEKNIIKAN ROOLI ENNEN JA NYT
•
•
•
•
•
•
Ojitus ja kastelu
Tulvan ennustaminen, torjunta ja hallinta
Jokien rakentaminen (liikenne, vesivoima)
Vesihuolto
Ympäristönsjuojelu ja vesien tilan parantaminen
Vesi biotaloudessa, vähähiilisessä
yhtesikunnassa ja kiertotaloudessa
27
Vesimäärien vaihtelu
• Sadanta (P) vaihtelee alueellisesti
28
Vesimäärien ajallinen vaihtelu
•
•
•
•
•
•
Päivittäinen vaihtelu
Kuukausittainen vaihtelu
Kausivaihtelu (kesä, talvi, monsuuni jne)
Vuosivaihtelu
Vuosikymmenten vaihtelu
Vuosisatojen vaihtelu
Vaihteluun vaikuttaa luonnolliset ilmiöt sekä
ihminen monella eri tapaa
29
Prosessit Atlantilla vaikuttavat meidän
talven lämpötilaan ja sadantaan
(ns, NAO ilmiö)
30
NAO
31
Pitkän ajan vaihtelu
Niilin vedenkorkeuden aikasarja
32
Ihmistoiminnan vaikutus ilmastoon ja
hydrologiaan
• Asutus lisää ilman lämpötilaa kaupungeissa (cities =
heat island)
• Asutus (tiiviit pinnan) vähentävät haihduntaa jolloin
valuntaa lisääntyy kaupungeissa
• Kastelu ja ojitus vaikuttavat lämpötalouteen ja
haihduntaan sekä valuntaan
• Kasvihuonekaasut kohottavat ilman lämpötilaa pitkällä
aikavälillä (100 vuotta ja 1 aste Suomessa)
Vesiteknillisessä suunnittelussa on tunnettava ja
huomioitava ilmaston ja vesivarojen muutos
33
Hydrologinen kierto
hydrologiset prosessit ja niiden laskenta
34
Käytettävissä oleva vesi
Ainetase
Cin
Cout
E
P
• Tietyllä alueelle kulkeutuu vettä tuulien mukana
• Sadanta (P)
• Haihdunta (E tai ET) riippuu lämpötilasta ja
auringon säteilystä
• Vettä muodostuu sadannan ja haihdunnan
erotuksena (valunta terminä Q tai R)
35
Suomen ilmasto
Cin
Kesä (P vaihtelee vuosittain)
Cout
E
P
Cin
Cout
Talvi (P pieni, E olematon)
E
P
36
Ilmaston lämpeneminen ja hydrologia
• Ilmaston muutos vaikuttaa ilman lämpötilaan
• Ilmaston muutos näyttäisi lisäävän sadantaa
Suomessa ja Pohjois-Euroopassa (tämä
epävarmaa)
– Muutos johtuu osittain länsituulien
lisääntymisestä ja osin lämpötilan lisääntymisestä
(ilmassa enemmän vesihöyrä)
• Haihdunnan muutos on epävarmaa
37
Hydrologian perusyhtälö
P = Q + ET ±ΔS
Q valunta, ET haihdunta
ET riippuu lämpötilasta ja auringon säteilystä
ΔS varaston (järvi, pohjavesi, jäätikkö)
vesimäärän muutos
38
Hydrologinen laskenta
• Fysiikan säilymislait
– Ainemäärän, energian, liikemäärän säilymiosilait
– Differentiaali ja osittaisdifferentiaaliyhtälöihin
perustuva mallinnus ja ongelman ratkaisu
• Insinöörimenetelmät
– Koekeelliset yhtälöt
– Tilastollinen analyysi
• Perinteet, tavat ja taito laskea (systeemin
tuntemus tärkeä)
39
Tehtävä 2
Vesivarojen (pohjavesi ja pintavedet kuten joet, järvet) muodostumiseen vaikuttaa sadanta
(P) ja haihdunta (ET), joidenka erotus ilmaisee kuinka paljon syntyy pohjavettä sekä
valuntaa järviin ja jokiin (Q). Tietoa Q:n vaihtelusta tarvitaan esim. suunniteltaessa
vesihuoltoa (kuinka paljon vettä voidaan ottaa ja miten se vaikuttaa joen tilaan), siltoja
(rakennuksen aiheuttama padotuksen laskenta), vesivoimaa, tulvaa (ylin veden korkeus),
P
vesiensuojelua jne.
E
Q
a) Arvioi Kiiminkijoen valuma-alueen ( 7 135 km2) pitkän ajan keskivirtaama?
Keskivirtaama arvioidaan pitkän ajan sääaineistojen perusteella (oleta P=560 mm ja ET =300
mm vuodessa).
Vesitaseyhtälöstä P = Q + ET ±ΔS saadaan olettaen varaston muutos ΔS pieneksi (ΔS ≈ 0):
Q (keskivirtaama, yksikkö m3/s) = (P-ET)*A/T
jossa A = valuma-alueen koko, ja T on aika
b) Miten tämä virtaama saattaa muuttua tulevaisuudessa (ilmaston muuttuessa)?
40
Tehtävä 2 jatkuu
Maankäytön muutos johtaa yleensä virtaaman Q muutoksiin. Virtaaman
määrä kasvaa kun valuma-aluetta rakennetaan. Metsitys ja maanviljely
(kastelu) tai biotalouteen siirtyminen (energiakasvien viljely) voi vähentää
vesimäärää (etenkin kuivan ilmaston maissa). Vesitekniikassa joudutaan
joskus arvioimaan määrän muutos sekä muutoksen vaikutus ali- ja
ylivirtaamiin.
c) Arvioi miten Kiiminkijoen asutuskeskukset vaikuttavat joen
keskivirtaamaan olettaen, että asutus on muuttanut 5 % valuma-alueesta
vettä läpäisemättömäksi (tiet, parkkipaikat, rakennusten katot)? Tiiviit pinnat
vaikuttavat vesimääriin, koska näistä pinnoilta haihdunta on olematon (joten
valunta kasvaa vastaavasti).
d) Olettaen, että ilmaston muutos lisää sadantaa 10-20 % ja haihduntaa 5-10
% vuodesta 2010 vuoteen 2040, kuinka paljon virtaama muuttuu näillä
yksinkertaisilla oletuksilla?
41
Tehtävän 2 palautus
• Vastaa selkeästi perustellen esitettyyn 4
kysymykseen (a-d)
• Ohjaus (PR 345 AK Ronkanen) maanantaina
2.2.2015 välillä 9-15:30
• Pe 06.02. mennessä tehtävien palautus
• Ke 11.02. klo 10.15- 10.30 - L5 palaute
• Palautus (noin 1 A4 sivu, jossa vastukset
merkitty a, b, c, d)
– Palautus postilokeroon (PR345 vastapäätä)
42