Laskeutusaltaat ovat ojien kunnostushankkeissa käytettyjä vesiensuojeluratkaisuja, jotka täydentävät muita vesiensuojelukeinoja. Niitä voidaan käyttää myös navero- ja ojitusmätästysaloilla silloin, kun kyseessä on laaja (10–15 ha) tai vesiensuojelullisesti muutoin merkittävä kohde keskikarkealla tai karkealla kivennäismaalla. Laskeutusaltaiden toiminta perustuu veden virtausnopeuden hidastamiseen ja mukana kulkeutuvien hiukkasten laskeutumiseen altaan pohjalle.
Laskeutusaltaat toimivat vesiensuojelun täydentäjinä
Laskeutusaltailla pystytään poistamaan valumavedestä kiintoainetta. Ne ovat käyttökelpoisia vesiensuojeluratkaisuja sellaisilla ojitusalueilla, joiden pohjamaa on keskikarkeaa tai karkeaa kivennäismaata. Laskeutusallasta ei suositella käyttämään kohteissa, joiden maalaji on hienojakoista kivennäismaata tai maatunutta turvetta.
Laskeutusaltaat täydentävät muita vesiensuojelukeinoja. Ensisijaisena keinona suositellaan hyödyntämään kaikkia alueelle soveltuvia eroosion syntymistä vähentäviä vesiensuojelutoimia, kuten syöpyviin ojiin jätettäviä kaivukatkoja sekä muita ojissa virtausnopeutta hidastavia rakenteita. Vesiensuojelun suunnittelussa on hyvä aina selvittää kaikki pintavalutukseen soveltuvat alueet.
Laskeutusallas toimii vain, mikäli sen purkukohdassa on veden liikettä hidastava kynnys tai putkipatorakenne. Laskeutusaltaan, joka pidättää hienoa hietaa ja sitä karkeampaa maa-ainesta, valuma-alue voi käytännössä olla enintään 40–50 hehtaaria, koska tätä suuremmilla valuma-alueilla altaan mitat kasvavat epäkäytännöllisen suuriksi. Metsäkeskuksen verkkosivuilta ladattava laskeustusaltaan suunnitteluun vapaasti hyödynnettävä allastaulukko laskee koon myös yli 50 ha suuruisille valuma-alueille, mutta antaa siitä huomautuksen. Laskeutusaltaiden mitoitustaulukko Metsäkeskuksen taulukkopohjassa.
Laskeutusaltaita ei tule suunnitella veden alle jääville tulva-alueille, joilta altaaseen pidättynyt kiintoaine sekä läjitysmaat huuhtoutuisivat helposti vesistöön tulva-aikana. Laskeutusaltaita ei myöskään suunnitella ojien risteyksiin tai eroosioherkkään kohtaan eikä pohjavesialueille.
Laskeutusaltaan mitoitus
Laskeutusaltaan mitoitusta varten on Metsäkeskuksen verkkosivuilta ladattavissa Excel-laskentataulukko.
Lähtötietoina taulukkoon lisätään seuraavat tiedot suunnittelualueesta:
- altaan yläpuolisen valuma-alueen koko hehtaareina
- keskipuuston tilavuus valuma-alueella, m3/ha
- altaan sijaintipaikan (= altaan yläpuolisen valuma-alueen purkupisteen) korkeus merenpinnan yläpuolella, m
- altaan leveys, m
- luiskien kaltevuus, 1/x m
- purkuojan pohjan syvyys, m
Taulukko laskee
- altaan minimipituuden maanpinnalla
- lietekerroksen enimmäispaksuuden, jolla allas vielä pidättää mitoituksessa käytettävän maalajin hiukkasia
- altaan pinta-alan ja tilavuuden purkuojan pohjan tasolla.
Taulukko käyttää mitoituksessa maalajina hienoa hietaa. Altaaseen pidättyy hiukkasia, joiden läpimitta on suurempi kuin 0,02 mm.
Hiukkasen laskeutumisnopeuteen altaassa vaikuttavat hiukkasen massa ja koko. Taulukon mitoituslaskennassa käytetyn hienon hiedan laskeutumisnopeus on 1 m/h. Taulukon avulla mitoitettuun altaaseen siis laskeutuvat hienon hiedan ja sitä karkeampien maalajien hiukkaset, joista karkeimpien maalajien hiukkaset tulevat altaaseen pohjakulkeumana. Hienoa hietaa hienojakoisempien maalajien sekä eloperäisten maalajien veden mukana kulkevat hiukkaset virtaavat altaan läpi ehtimättä laskeutua altaassa purkuojan pohjan alapuolelle.
Kun veden virtaus kuljettaa hiukkasta eteenpäin, se samanaikaisesti laskeutuu painovoiman vaikutuksesta alla olevan kuvan mukaisesti. Altaaseen virtaavan veden mukana saapuva hiukkanen pidättyy altaaseen, mikäli se ehtii laskeutua altaassa sen purkuojan pohjan alapuolelle.
Altaiden mitoituksessa on huomioitava, ettei kahden peräkkäisen altaan rakentaminen pienennä niiden mitoitusta, koska jokaisen altaan mitoitus perustuu tulovirtaamaan ja pienimmän pidätettävän maalajin laskeutumisnopeuteen.
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.
Laskeutusaltaan mitoitus pintakuormamenetelmällä
Pintakuormateorian mukaan laskeutusaltaan mitoitus perustuu altaaseen tulevan veden virtausnopeuteen, altaan pinta-alaan ja maahiukkasen laskeutumisnopeuteen. Altaan tulovirtaaman 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.
Pintakuormateorian mukaan altaaseen pidättyvät hiukkaset, joiden laskeutumisnopeus m/h on yhtä suuri tai suurempi kuin altaan virtaaman m3/h suhde altaan vesipinta-alaan m2. Taulukossa lasketaan tällä kaavalla altaan minimivesipinta-ala purkuojan pohjasta = tulovirtaama m3/h : hieno hieta (HHt) hiukkasen laskeutumisnopeus 1 m/h.
Altaan vesipinta-alasta ja tallennetuista lähtötiedoista lasketaan altaan vesipoikkileikkaus, pituus ja leveys maanpinnalla.
Altaan vesipinta-alaksi lasketaan altaan pinta-ala purkuojan pohjan tasolla. Purkupäähän jätetty perkaamaton kynnys tai virtaamansäätörakenne tehostaa altaan toimintaa lisäämällä sen vesipinta-alaa.
Vesipinta-alan lisäksi altaan mitoituksessa huomioidaan suurin sallittu virtausnopeus altaassa 1 cm/s, joka mahdollistaa myös kevyiden hiukkasten laskeutumisen vesimassassa. Virtaavaan veteen syntyy pyörteitä, jotka häiritsevät erityisesti hienojakoisen pienimassaisen aineksen laskeutumista.
Altaan mitoituksessa lasketaan se altaan vesipoikkileikkauksen vähimmäispinta-ala (m2), jolla veden virtausnopeus ei ylitä virtausnopeutta 1 cm/s.
Excel-laskentataulukko on ladattavissa Metsäkeskuksen verkkosivuilta.
Laskeutusaltaan täyttyminen
Altaan mitoituksessa tulee huomioidaon huomioitava 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 kaivamalla allas syvemmäksi etuosastaan ja jättämällä altaan pohjaan lietevara, jonka aiheuttama vähennys vesipoikkileikkauksessa ei vielä nosta virtausnopeutta liian suureksi hienojakoisen maalajitteen pidättymisen kannalta. Karkeita pohjakulkeuman mukana liikkuvia hiukkasia pidättyy altaaseen niin kauan, kuin altaassa on vapaata vesitilavuutta.
Altaan täyttymistä on syytä ennakoida
Altaan toimivuuteen vaikuttaa merkittävästi altaan täyttymisaste, sillä se lakkaa pidättämästä hienojakoista maa-ainesta jo huomattavasti ennen kuin allas on täyttynyt purkuojan pohjan tasoon asti. 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 altaista ei ole haittaa eikä niitä ole syytä tyhjentää, mikäli myös altaan yläpuolinen ojasto on jo kasvipeitteinen, eikä valuma-alueella ole odotettavissa uutta kuormitushuippua, jonka tasaamiseen tarvitaan laskeutusaltaita.
Laskeutusaltaan muoto
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.
Altaan reunan kaltevuus
Laskeutusaltaiden suunnittelussa tulee huomioidaon huomioitava, että lajittuneella hienojakoisella ja routivalla maalla luiskien sortuminen voi nopeuttaa altaan täyttymistä ja tehdä siitä kuormituslähteen. Altaat tulisikin sijoittaa ojitusalueen paksuturpeiselle osalle. Laskeutusaltaan sivu- ja päätyluiskien suositeltavaan kaltevuuteen vaikuttaa altaan kaivusyvyys sekä maalajin ominaisuudet. Routivilla ja hienojakoisilla mailla altaan luiskien jyrkkyys saa olla enintään 1/1. Kokonaan maatumattomaan turpeeseen tehtävien altaiden luiskien jyrkkyys voi olla suurempi (1/0,75).
Läjitysmaille on varattava riittävästi tilaa ja kaivumaat läjitettävä riittävän kauas altaan reunasta, jotta luiskien sortumisriski pienentyy ja etteivät läjitysmaat valu takaisin altaaseen. Käytännössä läjitysmaille on varattava tilaa 2–3 kertaa altaan leveyden verran ja maat tiivistettävä ja maisemoitava kaivun yhteydessä. Jokin kohta sivuluiskassa tulee muotoilla niin loivaksi, että altaaseen joutunut eläin pääsee sieltä pois.
Vesiensuojelun tehostaminen
Laskeutusaltaan vesiensuojeluvaikutusta voidaan parantaa, mikäli sen purkuoja voidaan ohjata pintavalutuskentälle tai suojavyöhykkeelle.
Laskeutusaltaan purkupäähän tulee jättää kynnys, eli laskuoja jätetään perkaamatta tai vähintään laskuoja jätetään vähemmän syväksi kuin altaaseen tuleva oja. Mikäli perkaamattomasta laskuojasta ei muodostu riittävää kynnystä, niin sellainen täytyy tehdä.
Virtaamansäätörakenteen yhdistämisellä laskeutusaltaaseen voidaan tehostaa altaan toimivuutta, mikäli altaan kynnystä ei voida jostain syystä nostaa riittävän korkeaksi. Virtaamansäätörakenne mahdollistaa vedenpinnan nostamisen altaassa väliaikaisesti tulva-aikoina, jolloin altaan toiminnallinen pinta-ala kasvaa kuormituksen kannalta kriittisinä ajankohtina.
Laskeutusaltaaseen voidaan asentaa puumateriaalia. Veteen upotettujen, pienpuusta rakennettujen rankanippujen avulla voidaan tehostaa laskeutusaltaan ravinne- ja kiintoaineen pidätystä. Lisäksi ne monipuolistavat vesieliöstöä tarjoamalla niille ravintoa ja suojaa.