Virtaamanhallinta ja patorakenteet vesiensuojelussa

Mikäli altaan yläpuolisen ojaston maalajit tunnetaan riittävän hyvin, voidaan altaan mitoituksessa käyttää myös karkeamman maalajitteen mitoitusta. Tällöin mitoitus perustuu arvioituun altaaseen tulevan lietteen määrään ja sen varastoimiseen tarvittavaan tilavuuteen. Mitoituksen perusteena käytetty maalajite tulee käydä aina ilmi suunnitelmasta. 

Altaaseen virtaavan veden mukana saapuva hiukkanen pidättyy altaaseen, mikäli se saavuttaa altaan pohjan ennen purkupäätä. Veden virtaus kuljettaa hiukkasta eteenpäin. Toisaalta hiukkanen liikkuu samanaikaisesti alaspäin painovoiman vaikutuksesta (alla oleva kuva). 

Altaiden mitoituksessa on huomioitava, ettei kahden peräkkäisen altaan rakentaminen vähennä alemman altaan mitoitusvaluma-aluetta, koska mitoitus perustuu vesimäärään ja maalajiin.

Laskeutusaltaan toimivuus perustuu altaaseen tulevan veden virtausnopeuteen ja altaan koon suhteeseen. Vesimäärän mitoituksessa käytetään keskiylivirtaamaa (Mhq), jolla tarkoitetaan vuoden suurinta vuorokauden keskimääräistä virtaamaa. Altaan mitoittaminen tulvahuipun mukaisesti on perusteltua, sillä tulvahuippujen aikana tapahtuu myös suurin osa kiintoaineen kulkeutumisesta. 

Pintakuormamenetelmän mukaan altaaseen pidättyy hiukkasia, joiden laskeutumisnopeus (VL) on yhtä suuri tai suurempi kuin altaan virtaaman (Q) ja altaan vedenpinnan pinta-alan (A) osamäärä (Q/A). Yleensä riittävä virtaaman ja altaan vedenpinnan pinta-alan suhde saavutetaan, kun pinta-ala on pienellä mitoitusvirtaamalla 3 ja suurella mitoitusvirtaamalla 8 m²valuma-aluehehtaari.

Hiukkasen laskeutumisnopeuteen vaikuttaa hiukkasen massa ja koko; esimerkiksi hienolla hiedalla nopeus on 1 m/h. Tästä syystä hienojakoisten lajitteiden pidättäminen laskeutusaltaisiin on mahdotonta. Maalajien laskeutumisnopeuden ero on suuri hieno- ja karkeajakoisilla lajitteilla. Vaikka karkeat lajitteet laskeutuvat nopeasti, altaan mitoituksessa on kuitenkin huomioitava edelleen riittävä varastotilavuus sinne pidättyvälle kiintoaineelle. 

Seuraavaksi lasketaan suurin sallittu virtausnopeus altaassa mitoitusvirtaamalla. Veden virtausnopeus lasketaan altaan virtaaman (Q) ja vesipoikkileikkauksen (a) välisenä suhteena Q/a. Yleensä altaan toimivuuden kannalta riittävä virtaaman (Q) ja vesipoikkileikkauksen (a) suhde saavutetaan, kun altaan vesitilavuus on pienellä mitoitusvirtaamalla 2 ja suurella mitoitusvirtaamalla 5 m³/valuma-aluehehtaari.  

Altaan vedenpinnan pinta-alaan (A) vaikuttaa altaan leveyden ja pituuden ohella luiskien kaltevuus sekä vedenpinnan taso mitoitusvirtaamaa vastaavalla hetkellä. Purkupäähän jätetty perkaamaton kynnys tehostaa altaan toimintaa lisäämällä sen tehollista pinta-alaa. Mikäli veden pintaa ei saada pidettyä pysyvästi riittävällä tasolla altaan purkupäähän jätettävän tai rakennettavan kynnyksen avulla yläpuolisen ojaston kaltevuussuhteista johtuen, voidaan altaan vedenpintaa nostaa virtaamansäätörakenteen avulla.  

Pinta-alan lisäksi altaan mitoituksessa huomioidaan suurin sallittu virtausnopeus, joka mahdollistaa myös kevyiden hiukkasten laskeutumisen vesimassassa. Virtaavaan veteen syntyy pyörteitä, jotka häiritsevät erityisesti hienojakoisen pienimassaisen aineksen laskeutumista. Suositeltava virtausnopeus on 12 cm/s. 

Mitoituksen tavoitteena on määritellä se altaan vesipoikkileikkauksen vähimmäispinta-ala (a), jolla veden virtausnopeus ei aiheuta toimivuutta heikentävää pyörteisyyttä. Altaan leveys määritellään siten, että poikkileikkauksen vähimmäispinta-ala (a) saavutetaan luiskat ja veden korkeus huomioiden. Koska vedenpinnan taso altaassa vaikuttaa oleellisesti vesipoikkileikkauksen pinta-alaan (a) ja sitä kautta myös vaadittavaan altaan leveyteen, kannattaa kynnys jättää tai tarvittaessa tehdä aina laskeutusaltaan purkupäähän, kun se on mahdollista. 

Altaan mitoituksessa tulee huomioida myös altaan täyttyminen. Altaan täyttyminen vaikuttaa altaan toimivuuteen siten, että vesipoikkileikkaus pienenee sitä mukaa kun allas täyttyy tulopäästään. Kun vesipoikkileikkaus on pienentynyt riittävästi, estyy pienimpien hiukkasten pidättyminen altaaseen virtausnopeuden kasvaessa. 

Altaan täyttyminen voidaan huomioida lietevaralla, jonka aiheuttama vähennys vesipoikkileikkauksessa ei nosta virtausnopeutta liian suureksi hienojakoisen maalajitteen pidättymisen kannalta. Karkeampia pohjakulkeuman mukana liikkuvia hiukkasia pidättyy altaaseen niin kauan, kuin altaassa on vapaata vesitilavuutta. 

Laskeutusaltaassa veden virtaus hidastuu ja kiintoaines laskeutuu altaan pohjalle. Altaan pituus määräytyy valuman mukaan. Altaan kaivumaille varataan kahdesta kolmeen kertaa altaan leveyden verran tilaa. 

Lietevaran suuruutta arvioitaessa on hyvä huomioida altaan yläpuolisen ojaston maalaji, muut eroosioalttiuteen vaikuttavat tekijät sekä ennen laskeutusallasta käytettyjen vesiensuojelukeinojen vaikutus. Mikäli altaan täyttymisnopeuden arvioidaan olevan suuri tai allas sijaitsee sellaisessa paikassa, jossa sen tyhjennys on hankalaa, kannattaa lietevara mitoittaa altaan toimivuuden ja kunnossapidon kannalta suuremmaksi. 

Varastotilavuuden suuruuteen vaikuttavat samat edellä luetellut periaatteet, kuin pinta-kuormamenetelmälläkin mitoitetulla altaassa. Varastotilavuudella tarkoitetaan altaan sekä purkuojan pohjan korkeuden välistä tilavuutta. 

Laskeutusaltaan leveyden ja pituuden suhteen tulisi olla 1:3-1:7 välillä. Pienille vesimäärille mitoitetuissa altaissa altaan minileveyden määrittää kuitenkin vesipoikkileikkaus. Tavoitteena olevassa pitkänomaisessa altaassa vesi saadaan jakaantumaan tasaisesti koko altaan leveydelle. Tämä lisää altaan toimivuutta, sillä kiintoaine laskeutuu vain sillä osalla allasta missä vesi vaihtuu. Monesti ongelmallisiksi muodostuvat suorakulmaisten altaiden tulo ja purkupää, joiden kulmissa vesi ei vaihdu. 

Allas kaivetaan erityisen syväksi altaan tulopäästä, missä altaan täyttyminen on nopeinta veden mukana kulkeutuvan karkean aineksen suuren laskeutumisnopeuden ansiosta. Altaan epätasaisen täyttymisnopeuden huomioiminen parantaa altaan kokonaistoimivuutta sekä vähentää tyhjennystarvetta. 

Laskeutusaltailla pystytään vähentämään valumavedestä tehokkaasti kiintoainetta ja siihen sitoutuneita ravinteita. Ne ovatkin käyttökelpoisia vesiensuojeluratkaisuja sellaisilla ojitusalueilla, joiden pohjamaa on keskikarkeaa tai karkeaa kivennäismaata.

Laskeutusaltaat täydentävät muita vesiensuojelukeinoja, eivätkä ne ole ensisijainen vesiensuojelukeino varsinkaan ojitusalueella, jossa ojat ulottuvat hienojakoiseen kivennäismaahan tai jossa ojat on kaivettu maatuneeseen turpeeseen. Ensisijaisena keinona suositellaan hyödyntämään kaikkia alueelle soveltuvia eroosion syntymistä vähentäviä vesiensuojelutoimia, kuten syöpyviin ojiin jätettäviä kaivukatkoja sekä muita virtausnopeutta hidastavia rakenteita. Vesiensuojelun suunnittelussa on hyvä aina kartoittaa kaikki pintavalutukseen soveltuvat alueet. 

Laskeutusaltaan, jolla voidaan poistaa hienoa hietaa ja sitä karkeampaa maa-ainesta, enimmäisvaluma-alue on käytännössä 40–50 hehtaaria. Laskeutusaltaita ei tule suunnitella veden alle jääville tulva-alueille, joilta altaaseen pidättynyt kiintoaine sekä läjitysmaat huuhtoutuisivat helposti vesistöön tulva-aikana.  

Altaan toimivuuteen vaikuttaa merkittävästi altaan täyttymisaste, sillä se lakkaa toimimasta hienon aineksen osalta jo huomattavasti ennen kuin allas on täyttynyt kokonaan. Tällöin allas on voinut muodostua kuormituslähteeksi, josta huuhtoutuu sinne aikaisemmin sedimentoitunutta kiintoainetta. Altaan täyttymistä on seurattava säännöllisesti siten, että sen täyttymisajankohta voidaan ennakoida ja allas tyhjentää ennen sitä. Kasvittuneista tai muuten kuormittamattomista altaista ei ole haittaa eikä niitä ole syytä tyhjentää, ellei ole odotettavissa kuormitushuippua, joiden tasaamiseen tarvitaan laskeutusaltaita.  

Laskeutusaltaiden suunnittelussa tulee huomioida, että hienojakoisella ja routivalla maalla luiskien sortuminen voi nopeuttaa altaan täyttymistä ja tehdä siitä kuormituslähteen. Altaat tulisikin sijoittaa ojitusalueen paksuturpeiselle osalle. Laskeutusaltaan luiskan suositeltavaan kaltevuuteen vaikuttaa altaan kaivusyvyys sekä maalajin ominaisuudet. Routivilla ja hienojakoisilla mailla altaan luiskien kaltevuus saa olla enintään 45 astetta. Kokonaan maatumattomaan turpeeseen tehtävien altaiden luiskien kaltevuus voi olla suurempi. Läjitysmaille varataan riittävästi tilaa ja maat läjitetään riittävän kauas altaan reunasta, jotta luiskien sortumisriski pienentyy ja etteivät läjitysmaat kulkeudu takaisin altaaseen. Käytännössä läjitysmaille varataan tilaa 2–3 kertaa altaan leveyden verran ja maat tiivistetään ja maisemoidaan kaivun yhteydessä. Luiskat muotoillaan niin loivaksi, että altaaseen joutunut eläin pääsee sieltä pois. 

Laskeutusaltaiden vesiensuojeluvaikutusta voidaan parantaa, mikäli niihin yhdistetään pintavalutuskenttä tai suojakaista. Laskeutusaltaan purkupäähän pyritään jättämään kynnys tai vähintään laskuoja kaivetaan matalammaksi kuin altaaseen laskeva oja. Virtaamansäätörakenteen yhdistämisellä laskeutusaltaaseen voidaan tehostaa altaan toimivuutta. Virtaamansäätörakenne mahdollistaa vedenpinnan nostamisen altaassa väliaikaisesti tulva-aikoina, jolloin altaan toiminnallinen pinta-ala kasvaa kuormituksen kannalta kriittisinä ajankohtina. Käytettäessä virtaamansäätörakenteena putkipatoa, parannetaan samalla kulkuyhteyksiä ja helpotetaan altaan tyhjennystä. 

Putkipatoa käytetään myös erillisenä vesiensuojelurakenteena, jolloin sen toiminta perustuu pitkälti veden pidättämiseen ojitusalueella. Putkipadon avulla voidaan tehostaa myös muiden vesiensuojelurakenteiden toimintaa. 

Putkipadon toimintaperiaate perustuu ylivirtaamien aikana veden hetkelliseen varastoitumiseen padon yläpuolelle. Tavoitteena on pienentää ylivirtaamien voimakkuutta, padottaa vettä hetkellisesti ojitusalueelle ja siten vähentää eroosiota padon ylä- ja alapuolella pienentyneen virtausnopeuden ansiosta.

Putkipadon suurin vaikutus kohdistuu padon yläpuolelle, sille osalle ojastoa, johon putken padotus ulottuu. Padotuksen johdosta veden virtausnopeus pienenee. Menetelmällä vähennetään eroosiota, estämällä kiintoaineen liikkeelle lähtö ja edistämällä liikkeelle lähteneen kiintoaineen uudelleen laskeutumista. Tämän lisäksi veden puhdistumista voi tapahtua kemiallisten ja biologisten prosessien kautta. 

Huolellisen suunnittelun avulla voidaan varmistaa padon tehokas toiminta. Parhaiten rakenne pystytään toteuttamaan silloin, kun maa on sulana. Rakentaminen onnistuu huolellisesti tehtynä myös jäätyneen maan aikana. Padon paikka valitaan siten, että rakenteen yläpuolella on mahdollisimman paljon varastotilavuutta suhteessa yläpuolella olevan valuma-alueen kokoon, eli padolle tulevaan vesimäärään. 

Suunnittelun yhteydessä on tärkeää varmistaa, ettei padosta aiheudu haittaa puuston kasvulle tai alueen muulle käytölle myöskään mahdollisten häiriötilanteidenkaan aikana. Häiriö padon toiminnassa voi syntyä esimerkiksi putkien tukkeutumisesta. Tukkeutumisen seurauksiin voidaan varautua ylivuotoputken avulla. Ylivuotoputken asennuskorkeus määritellään siten, että ojituksen kuivatusteho säilyy myös tulvaputken avulla metsänkasvun kannalta riittävänä. Lisäksi pato pyritään sijoittamaan paikkaan, jossa tulva-aikaiset vedet pääsevät purkautumaan ojitusalueelta pois esimerkiksi pintavalunnan tai alueella olevien vanhojen ojien kautta. 

Putkipatojen toimivuuden seurannan ja huoltamisen kannalta hyviä sijoitusvaihtoehtoja syvennyksille voivat olla esimerkiksi piennartasanteet tai vastaavat kulkureitit tai näiden kohteiden läheisyydessä olevat kohteet. Putkipatojen käyttämiselle täytyy kuitenkin aina olla vesiensuojelulliset perusteet. 

Padon mitoituksessa huomioidaan ylivirtaamien suuruuteen vaikuttavat valuma-alueen ominaisuudet sekä padon yläpuolisen ojaston kaltevuussuhteet. Mitoitus tehdään siten, että kasvukauden aikana pohjavedenpinta pysyy metsänkasvun kannalta riittävän alhaisella tasolla. 

Putken molempien päiden kohdalle kaivetaan altaana toimiva syvennys. Ensimmäisenä kaivetaan padon etupuolelle tuleva laskeutusallas. Putken kohta ojassa tasoitetaan ja samalla varmistetaan, ettei pohjalle jää esimerkiksi kiviä. Seuraavaksi putki asennetaan ojan pohjalle siten, että putken päät tulevat syvennyksien kohdalle. 

Pato pyritään rakentamaan paikalla olevasta maa-aineksesta. Pato on tarkoitettu käytettäväksi etupäässä turvemailla, joten rakentamiseen soveltuvaa ainesta on yleensä helposti löydettävissä. Routivilla ja syöpymisherkillä alueilla voidaan käyttää apuna suodatinkangasta ja kiveämistä. Padon materiaalina vältetään käyttämästä eroosioherkkiä kivennäismaalajeja. 

Putki peitetään ja tiivistetään etenkin putken ympäriltä huolellisesti. Ylimenoputki asennetaan korkeudelle, joka on noin 30 –40 cm:ä ympäröivän ojitusalueen maanpinnan alapuolella. Ylimenoputki kannattaa asentaa siten, että sen läpi purkautuva vesi ei riko padon rakennetta. Tarvittaessa putki voidaan asentaa patopenkereeseen siten, että putken toinen pää ulottuu lähes ojan pohjaan patopenkereen takapuolella. 

Lopuksi pato täytetään ja tiivistetään siten, että padon harja on selvästi ympäröivää maanpintaa korkeammalla. Etenkin talviaikana kannattaa korotusta tehdä reilusti maa-aineksen painumisen takia.   

Laskeutusaltaan kynnykselle asennetulla putkipadolla voidaan tehostaa altaan toimintaa. Putkipadon käyttö on perusteltua etenkin kohteilla, joissa altaan kynnys joudutaan riittävän kuivatuksen varmistamiseksi tai muun syyn takia kaivamaan syväksi. Padon avulla saadaan altaan vesitilavuus hyödynnettyä tehokkaasti ja pato toimimaan mitoituksen mukaisesti. 

Laskeutusaltaiden yhteyteen rakennettava putkipato eroaa ilman allasta rakennettavasta padosta siinä, ettei padottavaa putkea asenneta aivan altaan pohjalle. Putken asennuskorkeus määritellään yläpuolisen ojitusalueen kuivatustarve huomioiden. Lisäksi putken korkeuden määrittämisessä otetaan huomioon altaan mitoitukseen liittyvä ohjeistus. 

Altaan suunnittelussa pyritään siihen, että tulvahuiput ohjautuvat pois altaasta esimerkiksi pintavalutuskentälle tai vesistön suojavyöhykkeelle. 

Settipato on metallista valmistettu, yleensä rummun yhteydessä oleva kehikko, jossa veden virtaussuuntaan nähden poikittain asetetuilla lankuilla pystytään säätämään veden korkeutta ja virtausta. Padossa voidaan käyttää myös ns. v-patoa. V-mallinen pato toimii tehokkaimmin virtaamien tasaamisessa. 

Settipatoja voidaan esimerkiksi käyttää, kun laskeutusaltaassa halutaan säädellä vedenpinnan korkeutta, tai altaan tehoa halutaan seurata rakentamisen jälkeen. Padotus tehostaa kiintoaineen jäämistä altaaseen ja estää sen huuhtoutumista altaasta tulva-aikana. 

Valmistajilta on saatavissa valmiita rakenteita, joita voidaan liittää rumpuputkiin. Settipadot soveltuvat hyvin, jos purkuojaan muutenkin tarvitaan rumpu, jolloin lisäkustannus jää pieneksi. Settipatoa ei kuitenkaan käytetä kohteilla, joissa kalankulku on mahdollista.

Munkki on patopenkereeseen tehtävä säätökaivo, johon vesi tulee putkea pitkin. Munkista vesi ohjataan pois lähtöojan pohjan tasolle asennettua putkea pitkin. Putkien koko määritetään tapauskohtaisesti tulvanaikaisen suurimman mahdollisen virtaaman avulla. Vedenpinnan korkeutta munkissa säädellään mekaanisesti levyn avulla. Tulvien varalta patopenkereeseen kannattaa tehdä tulvaputket. Munkin voi tehdä itse esimerkiksi kaivonrenkaista tai muoviputkesta, mutta niitä saa myös tehdasvalmisteisina. Munkki sopii ympärivuotiseen käyttöön, sillä se ei yleensä jäädy talvella. 

V-padolla tarkoitetaan patoa, jossa on v-aukkoinen, esimerkiksi vesivanerista tehty levy. Levy kaivetaan maan sisälle sekä pysty- että sivusuunnassa ja tuetaan kivillä, jolloin pato kestää myös tulvavirtaamat. V-pato soveltuu pienehköihin kohteisiin ja V-aukkoon voidaan laittaa mitta-asteikko virtaaman seuraamiseksi.  

Nopeasti toteutettavia pohjapatoja voidaan tehdä ojituksen yhteydessä esimerkiksi uudistusalojen vesitaloutta järjestellessä. Padon rakentaminen voidaan myös toteuttaa erillistyönä esimerkiksi jo kaivetuilla kohteilla.  

Pohjapatoja voi olla peräkkäin useita, jolloin puhutaan pohjapatosarjasta tai putousportaista. Putousportaiden avulla ojien kaltevuutta pienennetään siten, että pohjapatojen välillä veden virtausnopeus laskee ojien syöpymisen kannalta riittävän pieneksi. Patojen korkeudet kannattaa varmistaa vaaituksella. Tavoitekaltevuus määritellään kohteen maalajin mukaisen virtausnopeuden perusteella.  

Ojitushankkeiden yhteydessä pohjapatoja käytetään etupäässä kohteilla, joissa entuudestaan on todettu suuri syöpymisriski.  Kaivettavien ojien yhteydessä pyritään ojakaltevuuden pienentämisessä käyttämään perkaus- ja kaivukatkoja. Yksittäisiin kuivatusojiin voidaan rakentaa tilapäispatoja havuista vähentämään paikallisen syöpymisherkän aineen liikkeellelähtöä kaivun yhteydessä. Nämä tilapäispadot voidaan tarvittaessa poistaa, kun kaivutyön aiheuttamaa syöpymisvaaraa ei enää ole. 

Pohjapatojen avulla voidaan tehostaa laskeutusaltaiden toimintaa käyttämällä pohjapatoja altaiden purkukynnyksellä. Patoja kannattaa käyttää etenkin tilanteissa, joissa kaivamalla on vaikea lisätä altaan vesitilavuutta riittävästi. Samalla hidastetaan veden tulva-aikaista läpivirtausta. Kosteikkorakenteissa pohjapatojen avulla voidaan vaikuttaa vesien kulkuun ja siten tehostaa veden levittäytymistä alueella. 

Paras padon rakentamisajankohta on keskikesän kuivimpana aikana. Materiaalin tulee olla riittävän karkeata louhetta tai seulontajätettä, läpimitaltaan 0–200 mm tai 0–400 mm. Käytettävän kiviaineksen koko valitaan kohteella olevan vedenvirtauksen mukaisesti siten, ettei se pääse kulkeutumaan veden mukana. Materiaalit kannattaa yleensä toimittaa paikalle jäätyneen maan aikana. 

Kohteella, jossa veden virtaama on pieni, padon rakentamismateriaaliksi riittää suodatinkangas ja kiviverhoilu. Kohteilla, joissa veden virtaama on suuri, käytetään edellisten lisäksi tukiseinämää, joka voidaan rakentaa esimerkiksi ponttilankusta tai vesivanerilla tiivistetystä lankkuseinämästä. 

Uoman luiskaus tehdään kaivinkonetyönä. Tukiseinämä rakennetaan pohjapadon keskelle ojan poikki siten, että se ulottuu syöpymättömään kivennäismaahan sekä riittävän pitkälle uoman reunojen yli. Rakentamisvaiheessa suodatinkangas levitetään ojan pohjan, luiskien ja tukirakenteiden yli patokohdan alimmaiseksi rakenteeksi. Kangasvuodat asetetaan poikittain ojan pituussuuntaan nähden. Kankaat limitetään siten, että veden kulkusuunnassa ylemmän kankaan helma on aina alemman päällä. Ylimmästä kankaasta asetellaan kaivurin avulla maahan noin 50 cm:n lieve kohtisuoraan alaspäin, millä estetään veden kiertämistä padon alle. Kivilouhe asetellaan kaivinkoneella muotoillen kankaan päälle; kiviverhoilun tulisi ulottua riittävän pitkälle alajuoksulle.