Aalto-yliopiston teknillinen korkeakoulu Insinööritieteiden ja arkkitehtuurin tiedekunta
Sami Soininen
Marja-Vantaan urheilupuiston hulevesien hallintasuunnitelma
Diplomityö, joka on jätetty opinnäytetyönä tarkastettavaksi Espoossa 8.6.2010
Työn valvoja: Professori Harri Koivusalo Työn ohjaaja: dipl.ins. Perttu Hyöty
Aalto-yliopiston teknillinen korkeakoulu Diplomityön tiivistelmä
Tekijä ja työn nimi: Sami Soininen
Marja-Vantaan urheilupuiston hulevesien hallintasuunnitelma
Päivämäärä: 8.6.2010 Sivumäärä: 128 + 18
Tiedekunta: Insinööritieteiden ja Laitos: Yhdyskunta- ja arkkitehtuurin tiedekunta ympäristötekniikan laitos Työn valvoja: Professori Harri Koivusalo
Työn ohjaaja: dipl.ins. Perttu Hyöty
Avainsanat: kaupunki hydrologia, hulevedet, hulevesien hallintasuunnitelma
Hulevedet ovat rakennetulla alueella sateen tai lumen sulamisen aiheuttamia pintavaluntavesiä. Hulevettä muodostuu kun vesi ei pääse imeytymään eikä haihtumaan. Valuma-alueen ominaisuudet määrittävät sadetapahtuman seurauksena muodostuvan hulevesivaluman. Kaupungistumisen aiheuttama läpäisemättömän pinnan lisääntyminen ja ilmastonmuutoksen aiheuttamat sademäärien lisäykset ovat suurimmat hulevesivalumaa lisäävät tekijät.
Kirjallisuustutkimuksen perusteella huleveden luonnonmukaisilla hallinta- menetelmillä on edellytyksiä vähentää huleveden aiheuttamia ongelmia.
Suunnittelussa tulisi keskittyä koko valuma-alueeseen. Kasvillisuuden ja etenkin rantametsien säilyttäminen on tärkeä osa hulevesien hallintaa. Tavoitteena on säilyttää vesistöön purkautuvan valuman määrä ja laatu sekä virtaaman luontainen ajallinen vaihtelu ennallaan maankäytön muutoksista huolimatta.
Marja-Vantaan urheilupuiston tapauksessa hulevesimäärä tulee kasvamaan koko osavaluma-alueella noin 50%. Toteutettavien hajautettujen ja keskitettyjen huleveden hallintatoimenpiteiden kapasiteetti on mitoitettu pidättämään rakentamisen aiheuttaman hulevesimäärän lisäyksen verran hulevesiä.
Rakentamisen aikaisten hulevesien hallinta on tärkeää, koska tällöin veden haitta- ainekuorma on moninkertainen normaaliin verrattuna. Urheilupuiston osavaluma- alueella toteutettavassa rakentamisessa tulisi noudattaa tässä tutkimuksessa annettuja ohjeita ja menetelmiä. Jatkosuunnittelussa urheilupuiston ja läheisen Marja-Vantaan keskusta-alueen hulevedet olisi hyvä mallintaa samassa yhteydessä, jotta muodostuvaa hulevesivalumaa pystyttäisiin simuloimaan paremmin.
Aalto University School of Science and Technology Abstract of the Master's Thesis
Author and Title of the Thesis: Sami Soininen
A stormwater management plan for the Marja-Vantaa sports grounds
Date: 8 June 2010 Number of pages: 128 + 18
Faculty: Engineering and Department: Civil and
Architecture Environmental Engineering
Supervisor: Professor Harri Koivusalo
Instructor: M.Sc. (Tech.) Perttu Hyöty
Keywords: urban hydrology, stormwater, stormwater management plan
Stormwater is caused by rain or snowmelt in constructed areas, and is formed when water does not absorb or evaporate. The characteristics of the catchment area and of the rainfall event determine the quantity and quality of the stormwater runoff.
Increased impervious surfaces, urbanization, and climate change are the main factors to increase the stormwater runoff.
The literature study shows that with best management practices (BMPs) it is possible to reduce the problems caused by stormater runoff. Planning should focus on the whole catchment area. Riparian vegetation and in particular the conservation of forests have an important role in stormwater management. The aim is to maintain the quantity, quality, and natural flow of the stormwater runoff constant in spite of changes in land use.
On the Marja-Vantaa sports grounds stormwater runoff is set to grow by about 50%
throughout the catchment area. According to the stormwater management plan, distributed and centralized stormwater management methods should have the capacity to meet the increase of stormwater runoff.
Stormwater management during construction is important, because the load of harmful substances in the water at that stage is several times normal levels.
Construction carried out in the sports ground catchment area should follow the instructions and methods given in this study. For further planning it would be advisable to model stormwaters within the same context as the nearby Marja- Vantaa central area so that the stormwater runoffs could be simulated more accurately.
Alkusanat
Tämä diplomityö on tehty Vantaan kaupungille, koskien uuden Marja-Vantaan kaupunginosan urheilupuiston hulevesiä. Työn on rahoittanut Vantaan kaupungin Marja-Vantaa projekti ja Teknillisen korkeakoulun tukisäätiö, myös Maa- ja Vesitekniikan tuki ry on tukenut työn toteuttamista. Ilman näitä tahoja eläminen ja oleminen olisi ollut vaikeaa, sekä diplomityön valmistuminen jäänyt vain kaukaiseksi haaveeksi.
Ennen työn aloitusta minulla ei ollut kovin laajaa tietämystä hulevesistä. Niinpä aihe vaikuttikin kovin yksinkertaiselta. Hulevedethän ovat käytännössä lätäköltä, joissa varmasti jokainen on lapsena leikkinyt. Työn edetessä lätäköiden alta paljastui kuitenkin monia haastavia ja joskus jopa ylitsepääsemättömiäkin ongelmia. Niinpä työn loppuun saattaminen oli ainakin yhtä antoisaa kuin hyppiä sadepäivänä lätäköissä!
Hulevesien hallinta juontaa juurensa jo antiikin aikoihin. Mohenjo-Daron kaupungissa nykyisen Pakistanin alueella käytettiin sekaviemäreitä kuljettamaan hulevesiä jo noin 3000 eKr. Paikoin viemäröintijärjestelmät oli suunniteltu ja rakennettu paremmin kuin asuinrakennukset (Durrans et ai. 2003). Nykyisillä tietokoneavusteisilla malleilla hulevesien hallinnan pitäisi siis olla lasten leikkiä, mutta luulenpa että hulevesissä riittää pohdittavaa vielä moniksi vuosiksi.
Tahtoisin kiittää prof. Pertti Vakkilaista avusta aiheen valitsemisessa, sekä Juha Järvelää ja Teemu Kokkosta hyvistä ja asiantuntevista neuvoista. Vantaan pirteälle tiimille, erityisesti Lealle, Ullalle ja Ulla-Maijalle, sekä Henna Kemppaiselle kiitos innostavista kommenteista ja tsemppiä koko Marja-Vantaa projektille!
Suuri kiitos ohjaajalleni Perttu Hyödylle, joka kiireidensä keskellä jaksoi aina kuunnella ja jakaa hyviä neuvoja. Kiitokset avusta ja kommenteista myös valvojalleni prof. Harri Koivusalolle. Lopuksi tahtoisin kiittää vielä kavereita ja läheisiäni, erityisesti äitiä ja isää jotka ovat aina olleet tukemassa niin opinnoissa kuin elämässäkin!
Espoossa kesäkuussa 2010 Sami Soininen
Sisällysluettelo
Alkusanat... 4
Sisällysluettelo...5
Kuvaluettelo... 7
Taulukkoluettelo... 9
Käsiteluettelo... 11
1 Johdanto... 12
1.1 Tausta... 12
1.2 Aiheen rajaus ja tutkimusongelma... 13
1.3 Tavoitteet... 13
Kirjallisuustutkimus... 14
2 Hulevedet...14
2.1 Yleistä... 14
2.2 Hydrologinen kierto... 14
2.3 Ilmastonmuutos ja hulevedet... 16
2.4 Lainsäädäntö...17
2.5 Hulevesiin liittyvät tutkimukset Suomessa... 19
3 Rakentamisen hydrologiset vaikutukset ja ongelmat... 20
3.1 Yleistä... 20
3.2 Huleveden määrä... 21
3.3 Huleveden laatu...23
3.4 Ympäristöön liittyvät ongelmat... 27
3.5 Muut vaikutukset... 30
3.6 Rakentamisen aikaiset vaikutukset...31
3.7 Urheilu puistoalueiden erityisvaikutuksia... 31
4 Hulevesien luonnonmukainen hallinta...33
4.1 Hulevesien hallintamenetelmät... 33
4.2 Hulevesien muodostumisen vähentäminen... 36
4.3 Imeytysmenetelmät...39
4.4 Viivytysmenetelmät...43
4.5 Johtamismenetelmät... 45
4.6 Kosteikot... 47
4.7 Muut menetelmät... 48
4.8 Huleveden hallintamenetelmien vaikutukset... 50
Sovellustyö: Marja-Vantaan urheilupuiston hulevesien hallintasuunnitelma ...55
5 Hulevesien hallintasuunnitelman lähtökohdat...55
5.1 Tausta...55
5.2 Hulevesien hallintasuunnitelman tavoitteet...57
5.3 Suunnitelman vaiheet... 57
6 Suunnittelualueen kuvaus... 59
6.1 Yleistä... 59
6.2 Marja-Vantaa projekti... 59
6.3 Valuma-alueen ja purouoman nykytila... 62
6.4 Tulva-alueet...67
6.5 Urheilupuiston osavaluma-alue... 68
7 Alueelle tulevat muutokset... 72
7.1 Yleistä... 72
7.2 Maankäyttö...72
7.3 Urheilupuiston osavaluma-alue... 74
8 Hulevesivaluma... 76
8.1 Hulevesivaluman määritys... 76
8.2 Mitoitussade...77
8.3 Valumakertoimet... 82
8.4 Hulevesivirtaama ja hulevesimäärä...86
9 Hulevesien hallintasuunnitelma...93
9.1 Hulevesien hallinnan tarve... 93
9.2 Hallintamenetelmien mitoitus... 93
9.3 Hulevesien hallinnan yleiset periaatteet ja keinojen määrittely...95
9.4 Hulevesimäärien vähentäminen...97
9.5 Hulevesien hajautettu hallinta... 99
9.6 Hulevesien johtamisreitit...103
9.7 Kosteikkorakenteet... 106
9.8 Tulvatarkastelu & Tulvareitit...109
9.9 Huleveden hallinnan kustannukset... 109
10 Suositukset jatkotoimenpiteistä... 112
10.1 Yleistä... 112
10.2 Rakennusaikaisten hulevesien hallintaohjeet... 113
10.3 Purku-uoma...114
11 Johtopäätökset... 116
Lähdeluettelo... 117
Liitteet:... 129
Kuvaluettelo
Kuva 2.1. Hydrologinen kierto valuma-alueella (Vakkilainen 2008)... 15
Kuva 2.2. Vesitaseen osien kuukausikeskiarvot Suomessa (Maaseutuverkosto 2009) ... 15
Kuva 2.3. Vuosisademäärät Helsinki-Vantaan lentoaseman havaintoasemalla (Karlsson 2010 muokattu)... 16
Kuva 3.1 Rakentamisen vaikutuksen hydrologiseen kiertoon (Envirocast 2002 muokattu)...20
Kuva 3.2 Eroosion tyypit ja muodostuminen (Valpasvuo-Jaatinen 2007)... 23
Kuva 3.3 Huleveden laatuparametreja ja haitta-aineita (Sillanpää 2007)... 24
Kuva 4.1 Luonnonmukainen kaupunkirakentaminen (Salminen 2008)... 34
Kuva 4.2. Hulevesien hallinnan tavoitetaso (Gumb 2007 muokattu)... 35
Kuva 4.3 Viherkaton poikkileikkaus (VanWoert et ai. 2005 muokattu)... 38
Kuva 4.4. Biopidätyksen poikkileikkaus kerroksittain (Sillanpää 2010)... 40
Kuva 4.5. Biopidätys pysäköintialueella (US.EPÄ 2004)... 41
Kuva 4.6. Istutuslaatikko (Hyöty 2009)... 42
Kuva 4.7. Hulevesitorni (Björbekk & Undheim 1999, Bonn 2003)... 44
Kuva 4.8. Viherpainanne, jossa kävelysilta/patorakenne (Vallinkylä 2005)... 46
Kuva 4.9. Hulevesikosteikko (Gumb 2007)... 48
Kuva 4.10. Hallintamenetelmien vaikutus virtaamiin (FCG 2009 muokattu)...51
Kuva 5.1. Hulevesien hallintasuunnitelman keskeiset vaiheet...58
Kuva 6.1. Suunnittelualueen sijainti (Google Maps 2010 muokattu)... 59
Kuva 6.2. Koivupäänojan valuma-alue (punainen) sekä urheilupuiston osavaluma- alue (musta) sijoitettuna Marja-Vantaan osayleiskaavaan (Marja-Vantaan osayleiskaava 2006a muokattu)... 60
Kuva 6.3. Marja-Vantaan keskusta-alue ja urheilupuisto (Kemppainen 2010, Harris- Kjisik 2009)... 61
Kuva 6.4. Marja-Vantaan keskusta-alueen havainnekuva, konsultin loppuraportista (Marja-Vantaa 2010)...61
Kuva 6.5. Koivupäänojan sekä urheilupuiston nykyinen valuma-alue (Maanmittauslaitos 2010 muokattu)... 62
Kuva 6.6. Koivupäänojan valuma-alueen ympäristöä...63
Kuva 6.7. Koivupäänojan nykyinen valuma-alue sijoitettuna Senaatin karttaan vuodelta 1872 (Vantaa 2009 muokattu)... 63
Kuva 6.8. Koivupäänojan alajuoksu kesällä... 64
Kuva 6.9. Kevättulva 2010 Koivupäänojan alajuoksulla...64
Kuva 6.10. Marja-Vantaan alueen topografiakartta, vedenjakajat ja pohjavesialueet (FCG Planeko 2009a muokattu)... 65
Kuva 6.11. Koivupäänojan valuma-alueen luonto (Vantaa 2009 muokattu)... 66 Kuva 6.12. Vantaanjoen kerran 250 vuodessa tapahtuvan tulvan tulva-alue
(Tulvakarttoja 2010 muokattu)... 67 Kuva 6.13. Urheilupuiston osavaluma-alue sekä Koivupäänoja ja Vantaanjoki...68 Kuva 6.14. Kevättulva 2010 urheilupuiston osavaluma-alueen purkupisteellä
(merkitty punaisella ympyrällä)... 68 Kuva 6.15. Kevättulva 2010 purkupisteeltä alajuoksulle päin katsottuna...69 Kuva 6.16. Ortoilmakuva, urheilupuiston valuma-alue punaisella ja purkupiste valkoisella (Vantaa 2009 muokattu)... 69 Kuva 6.17. Google Street View kuvakimara urheilupuiston osavaluma-alueen
laitamilta, idästä (a), luoteesta (b) ja koillisesta (c) (Google Maps 2010 muokattu) ... 70 Kuva 6.18. Kopterikuva, kuvattu idästä päin, urheilupuiston osavaluma-alueen purkupiste valkoisella (Eniro 2010 muokattu)... 71 Kuva 6.19. Urheilupuiston osavaluma-alueen maaperä (FCG 2009 muokattu)...71 Kuva 7.1. Urheilupuistoja urheilupuiston osavaluma-alue sijoitettuna Marja- Vantaan osayleiskaavaan, merkkien selitykset liitteessä 2...72
Kuva 7.2. Marja-Vantaan urheilupuiston suunnitelma, iso kuva liitteessä 3
(Kemppainen 2010)... 73 Kuva 7.3. Uusi valuma-alue jaettuna osavaluma-alueisiin ja pintavalumareitit...75 Kuva 8.1. KATU -hankkeen ja Katajiston määrittelemät toistumisajat sateiden keskimääräisille intensiteeteille (SYKE 2008)... 78 Kuva 8.2. Urheilupuiston osavaluma-alueen pisin virtausreitti... 80 Kuva 8.3. Valumakertoimet nykytilassa, iso kuva liitteessä 4...85 Kuva 8.4. Valumakertoimet uudessa tilanteessa, ilman huleveden
hallintamenetelmiä, iso kuva liitteessä 5... 86 Kuva 8.5. RATU -sateiden virtaamat koko urheilupuiston osavaluma-alueella...89 Kuva 8.6. RATU -sateiden vesimäärät koko urheilupuiston osavaluma-alueella.... 89 Kuva 8.7. Hulevesivirtaamat Vantaan mitoitusmallin sadetapahtumilla koko
urheilupuiston osavaluma-alueella... 91 Kuva 8.8. Hulevesimäärät Vantaan mitoitusmallin sadetapahtumilla koko
urheilupuiston osavaluma-alueella... 92 Kuva 9.1. Mitoitussateiden vesimäärät ja hallintamenetelmien kapasiteetti... 94 Kuva 9.2. Hulevesien hallinnan suunnitelmakartta, iso kuva liitteessä 8... 96 Kuva 9.3. Hulevesien johtamisreittien suunnitelmakartta, iso kuva liitteessä 10..103 Kuva 9.4. Hallintamenetelmien pidättämät vesimäärät, iso kuva liitteessä 11...108 Kuva 10.1. Kunnostettu uomarakenne (Gumb 2007)... 114 Kuva 10.2. Tulvatasanteen (terassin) rakentaminen (Laitinen et ai. 2006)... 115
TAU LU KKO LU ETTE LO
Taulukko 3.1 Läpäisemättömän pinnan vaikutus hydrologiseen kiertoon
(Metropolitan Council 2001, Federal Interagency SRWG 2000)... 22 Taulukko 3.2. Haitta-aineiden lähteet ja merkitys luonnossa (Ferguson 1998, US.
EPÄ 1999 muokattu)...25 Taulukko 3.3. Haitta-aine huuhtoutuma (Stenström et ai. 2001 muokattu)... 26 Taulukko 3.4. Läpäisemättömän pinnan vaikutus kaupunkipuroihin (Schueler 1994
muokattu)... 29 Taulukko 3.5. Pysäköintialueen ja niityn hulevesivaluman vertailua (Schueler 1994)
... 32 Taulukko 4.1. Eri hallintamenetelmien vaativia tilavuuksia (OME 2003)... 36 Taulukko 4.2. Viherkattojen pidätysprosentteja eri sademäärillä (VanWoert et ai.
2005)... 38 Taulukko 4.3. Huleveden päästölähteiden kontrollointi (US. EPÄ 2004 muokattu) 49 Taulukko 4.4. Haitta-aineiden poistumismekanismit (US. EPÄ 2004 muokattu).... 50 Taulukko 4.5. Puhdistustehokkuuksia (Durrans et ai. 2003, UDFCD 2002)... 52 Taulukko 5.1. Vantaan hulevesiohjelman prioriteettijärjestys, menetelmät ja
toimenpiteet (Vantaan kaupungin hulevesiohjelma 2009 muokattu)... 56 Taulukko 8.1 Suurimman hulevesivirtaaman aiheuttaja (RIL 1988, Suomen
kuntatekniikan yhdistys 2003)... 76 Taulukko 8.2. Virtausnopeudet (McCuen 2004 muokattu)... 77 Taulukko 8.3. Mitoitussateen kesto (RIL 1988)... 77 Taulukko 8.4. Sade-ennätykset Helsinki-Vantaan havaintoasemalla (Karlsson 2010)
... 79 Taulukko 8.5. Virtausajan määritys... 79 Taulukko 8.6. Mitoitussateen keston määritys... 80 Taulukko 8.7. RATU:n mukaisia sademääriä eri kestoisille sateille (RATU 2008)... 81 Taulukko 8.8. Vantaan mitoitusmallin mukaiset sateet (Rimpiläinen 2009)... 81 Taulukko 8.9 Eri alueiden valumakertoimia (RIL 2004b, RIL 1988, Suomen
kuntatekniikan yhdistys 2003, Suunnittelukeskus 2007b muokattu)... 83 Taulukko 8.10 Valumakertoimen määräytyminen rinteen kaltevuuden ja maaperän
mukaan (Vakkilainen et ai. 2005 muokattu)... 84 Taulukko 8.11. Valumakertoimien ja pinta-alojen muutos... 85 Taulukko 8.12. Hulevesivirtaamat ja -määrät eri toistuvuuksilla... 88 Taulukko 8.13. Hulevesivirtaamat ja -määrät alueittain Vantaan mitoitusmallissa 90 Taulukko 8.14. Hulevesivirtaamat ja -määrät urheilupuistossa verrattuna koko valuma-alueeseen Vantaan mitoitusmallissa...91
Taulukko 9.1. Vantaan mitoitusmallin mukaiset hulevesien hallintamenetelmien
kapasiteetit... 94
Taulukko 9.2. Läpäisemättömän pinnan osuus urheilupuiston valuma-alueella...97
Taulukko 9.3. Läpäisevien päällysteiden pidättämä vesimäärä...98
Taulukko 9.4. Kavennettujen teiden aiheuttama hulevesimäärän vähennys... 98
Taulukko 9.5. Viherkattojen pidättämä vesimäärä...99
Taulukko 9.6. Istutuslaatikoiden pidättämä hulevesimäärä... 101
Taulukko 9.7. "Hulevesitornien" ja sadevesitynnyrien pidättämä hulevesimäärä .101 Taulukko 9.8. Viivytysaltaan pidättämä hulevesimäärä... 101
Taulukko 9.9. Pelikenttien ylisyvien rakennekerrosten pidättämä hulevesimäärä. 102 Taulukko 9.10. Biopidätysalueiden pidättämä hulevesimäärä...102
Taulukko 9.11. Viherpainanteiden ja kanavien sekä purkureittien mitoitus... 104
Taulukko 9.12. Viherpainanteiden ja kanavien sekä purkureittien mitoitusvirtaamat ja uomien pidättämä vesimäärä... 105
Taulukko 9.13. Eri hiukkasten laskeutumisnopeuksia (Ruohtula 1996)... 106
Taulukko 9.14. Kosteikkojen mitoitus...107
Taulukko 9.15. Kosteikkojen ominaisuudet...108
Taulukko 9.16. Hulevesien hallintamenetelmien alustava kustannusarvio...111
Käsiteluettelo
Alkuhuuhtouma Sateen/lumen sulamisen alussa tapahtuva virtaaman saastepiikki (eng. First flush -effect)
BMP Hulevesien luonnonmukainen hallintamenetelmä (eng. Best Managemet Practice, Sustainable drainage system)
Biopidätys Ympäristöään alempana sijaitseva kasvillisuus alue, johon hulevedet voivat lammikoitua tai imeytyä (eng. Bioretention)
BOD7 Biologinen hapenkulutus seitsemässä vuorokaudessa
COD7 Kemiallinen hapenkulutus seitsemässä vuorokaudessa Eroosio Veden, tuulen, jään aiheuttama maanpinnan kuluminen Hulevesi Rakennetulla alueella muodostuva pintavalunta- ja
sulamisvesi
"Hulevesitorni" Kattovesien vertikaalinen viivytysratkaisu (ks. kpl 4.5.4) Hydrologinen kierto Pääasialliset tekijät sadanta, valunta ja haihdunta
Istutuslaatikko Rakennuksen vierellä oleva kattovesiä pidättävä allas jossa Kertymisaika
kasvillisuutta (ks. kpl 4.4.4)
Virtauksen kesto valuma-alueen kaukaisimmalta reunalta tarkastelupisteeseen.
LID Matalavaikutteinen rakentaminen (eng. Low Impact Development)
Mitoitussade Sadetapahtuma, jolle lasketaan hulevesivirtaama ja -määrä.
PAH Polysyklinen aromaattinen hiilivety
Puro Ympärivuotisesti virtaava uoma, keskimäärin < 2 m3/s RAJU Rankkasade- ja taajamatulva -hanke
RATU -sade RATU -hankkeen perusteella määritelty mitoitussade Resuspensio
RYVE
Sedimentin palautuminen veteen
Kaupunkivedet ja niiden hallinta -projekti
Sateen intensiteetti Aikayksikössä tietylle alueelle sataneen veden määrä Sedimentoituminen Kiinteiden hiukkasten laskeutuminen vesistön pohjalle Toistumisaika Tapahtuman esiintymisen todennäköisyys määritellyn ajan
kuluessa Vantaan
mitoitusmalli
Ulla-Maija Rimpiläisen kehittämä hulevesien mitoitusmalli Vantaalle, jossa 5 eri mitoitussadetta (ks. kpl 8.2.5)
Valuma-alue Tarkastelupisteeseen rajattu alue, jolta sade- ja sulamisvesi purkautuu eteenpäin
Valumakerroin Pintavalunnan ja sataneen vesimäärän suhde Viherkatto Paksuudeltaan ohut kattokasvillisuus
Viherpainanne Virtaushäviö
Matala nurmetettu vettä johtava uoma (eng. Grassed swale) Virtausta hidastava tekijä, lasketaan Manningin kaavan ja kertoimien n avulla
Ylivuotoreitti Hulevesien hallintamenetelmissä mitoituksen ylittävän tai talviaikaisen hulevesivirtaaman johtoreitti.
1 Johdanto
1.1 Tausta
Hulevedet ovat rakennetuilla alueilla sateiden ja lumen sulamisen aiheuttamia pintavaluntavesiä. Keskeisimmät tekijät hulevesien muodostumisessa ovat sademäärä ja sateen intensiteetti, sekä läpäisemättömän pinnan määrä ja valuma- alueen muut ominaisuudet.
Hulevesiin on viime aikoina kiinnitetty yhä enemmän huomiota, koska alati lisääntyvä kaupungistuminen pahentaa hulevesien haitallisia ympäristövaikutuksia ja ilmastonmuutos lisää hulevesivalumaa entisestään (U.S. EPÄ 2004, Rissanen 2007, SYKE 2008). Järkevällä ja joustavalla hulevesien hallinnalla voidaan vähentää kaupungistumisen ja ilmastonmuutoksen haitallisia vaikutuksia (Semadeni-Davies et ai 2007). Hulevesien hallinta onkin kehittynyt kuivatuksesta ja tulvasuojelusta kohti kokonaisvaltaisempaa hallintaa, joka käsittää myös veden laadulliset elementit (Heaney & Sansalone 2009).
Keski-Euroopassa on jo yleisenä periaatteena, että rakennetun alueen pintavalunta ei saa kasvaa luonnontilaista suuremmaksi (Mäntylä & Saarelainen 2008). Lisäksi hulevesien laatua pyritään parantamaan luonnonmukaisilla menetelmillä. EU:n laatimat vesipuitedirektiivi ja tulvadirektiivi ovat ohjanneet kansallista päätöksentekoa kohti kestävämpää hulevesien hallintaa. Tätä nykyä myös Suomessa on herätty hulevesien hallinnan kehittämiseen. Tästä hyvänä esimerkkinä on Vantaan kaupunki, jonka hulevesiohjelma valmistui 17.4.2009 (Vantaan kaupungin hulevesiohjelma 2009).
Tämä diplomityö on seurausta Vantaan hulevesiohjelmasta ja painottuu tutkimaan suunnitteilla olevan Marja-Vantaan kaupunginosan urheilupuistoaluetta. Työ jakautuu karkeasti kahteen osaan: Kirjallisuustutkimukseen ja Sovellustyö- osioon, jossa laaditaan Marja-Vantaan urheilupuistolle hulevesien hallintasuunnitelma.
1.2 Aiheen rajaus ja tutkimusongelma
Kirjallisuustutkimuksessa perehdytään hulevesiin sekä niiden aiheuttamiin vaikutuksiin ja ongelmiin. Uusimman kirjallisuuden pohjalta esitetään erilaisia hulevesien hallintamenetelmiä, jotka voivat vastata kaupungistumisen ja ilmastonmuutoksen aiheuttamiin haasteisiin.
Sovellustyö -osiossa laaditaan Marja-Vantaan urheilupuistolle hulevesien hallintasuunnitelma. Suunnitelma sisältää nykytilan tarkastelun sekä alueelle tulevien muutosten arvioinnin. Laskettujen hulevesimäärien pohjalta määritetään riittävät ja kustannustehokkaat hulevesien hallintamenetelmät. Lisäksi urheilupuiston alueen tulvareitit määritellään vastaanottavaan vesistöön asti.
Marja-Vantaan rakentamisen seurauksena nykyinen purouoma muuttuu radikaalisti ja lisäksi kehärata tulee leikkaamaan olemassa olevan valuma-alueen kahtia.
Urheilupuiston hulevesisuunnitelmassa tarkastellaan kehäradan eteläpuolella sijaitsevaa urheilupuiston osavaluma-aluetta. Alueen ohi virtaavien keskusta-alueen hulevesien määrää ei huomioida tässä työssä; niille tarvittavat hulevesien hallintamenetelmät on määritelty konsultin laatimassa suunnitelmassa (FCG 2009).
Tutkimusongelmana on hulevesien hallintamenetelmien oikean tyypin, mitoituksen, sekä sijoituspaikan määrittäminen juuri urheilupuiston tapauksessa. Yleisesti ottaen myös hulevesiä koskeva hajanainen lainsäädäntö sekä vanhentunut mitoitusnormisto ovat isoja haasteita.
1.3 Tavoitteet
Työn ensisijainen tavoite on luoda kirjallisuustutkimuksen ja lähtötietojen avulla urheilupuiston alueelle toimiva hulevesien hallintasuunnitelma. Pyrkimyksenä on selvittää käyttökelpoisimmat hulevesien hallintamenetelmät jo suunnitteluvaiheessa. Näin pystytään vaikuttamaan alueen rakenteellisiin ratkaisuihin, jotta ne olisivat hulevesien hallinnan kannalta kestävällä pohjalla.
Kirjallisuustutkimuksen tavoitteena on selvittää lukijalle, mitä hulevedet ovat ja miksi niitä tulisi hallita. Marja-Vantaan urheilupuiston hulevesien hallintasuunnitelman päätavoitteena on pitää alueen hulevesivaluma rakentamista edeltävällä tasolla, ja mahdollisuuksien mukaan jopa vähentää valumaa ja samalla parantaa huleveden laatua. Urheilupuiston hulevesien hallintasuunnitelman tarkemmat tavoitteet ja osatavoitteet on esitetty Sovellustyö -osiossa.
Kirjallisuustutkimus
2
H
ulevedet2.1 Yleistä
2.1.1 Hulevesien määritelmä
Suomen ympäristökeskuksen määritelmän (SYKE 2009) mukaan:
"Hulevesi on rakennetulla alueella maan pinnalta, rakennuksen katolta tai muilta vastaavilta pinnoilta pois johdettavaa sade- ja sulamisvettä.
Hulevesiin luetaan myös perustusten kuivatusvedet."
Englanniksi hulevedestä käytetään yleisimmin nimitystä stormwater ja joskus myös runoff water. Ruotsiksi hulevesi termi on käännetty dagvatten ja saksaksi regenwasser (Kotola & Nurminen 2003a, Ahponen 2003, MOT 2010). Suomen ulkopuolella kuivatusvesiä ei aina lasketa kuuluvaksi hulevesiin (Rimpiläinen 2009).
2.1.2 Hulevesien muodostuminen
Hulevettä muodostuu rakennetuilla alueilla kun sadevesi ei pääse imeytymään eikä haihtumaan, vaan muuttuu pintavalunnaksi (Tornivaara-Ruikka 2006, Rissanen 2007). Valuma-alueen pinta- ja maavesivarastojen tila, maaperä, maankäyttö, korkeussuhteet ja uomaverkoston ominaisuudet määrittävät sadetapahtuman seurauksena muodostuvan hulevesivaluman (Koivusalo 2010). Kaupungistuminen on suurin tekijä, jonka on sekä maailmalla että Suomessa todettu muuttavan merkittävästi veden luontaista kiertokulkua ja lisäävän pintavaluntaa (Tornivaara- Ruikka 2006, Rissanen 2007). Perinteisesti hulevedet on johdettu pitkin avo-ojia, mutta kaupungistumisen edetessä ja tilan vähentyessä hulevedet on siirretty putkiviemäreihin maan alle (RIL 2004a).
2.2 Hydrologinen kierto
2.2.1 Yleistä
Valuma-alueen hydrologisen kierron (kuva 2.1) päätekijät ovat sadanta, valunta ja haihdunta. Lisäksi vesi voi varastoitua painanteisiin ja järviin tai imeytyä mahaan ja edelleen pohjaveteen. Haihdunta jaetaan kasvien pinnoilta (interseptiohaihdunta) tai niiden kautta tapahtuvaan (transpiraatio) sekä maan, veden tai lumen pinnalta tapahtuvaan haihduntaan (evaporaatio). Kokonaishaihduntaa kutsutaan
evapotranspiraatioksi. Valunta voi olla pinta-, pintakerros- tai pohjavaluntaa.
(Vakkilainen 2008).
\ VV'
haihdunta
painan ne- säilynta
0 0 ,Ö ,'o ° o
<■-> H. O, O
Kuva 2.1. Hydrologinen kierto valuma-alueella (Vakkilainen 2008) 2.2.2 Vesitase
Tietynpituisen ajanjakson vesitaseyhtälö tietylle alueelle ilmoitetaan kaavalla 1, ja siihen kuuluvat valunta, sadanta, haihdunta ja varaston muutos (Vakkilainen 2008). Vesitaseen osien kuukausikeskiarvot Suomessa nähdään kuvassa 2.2, kuvaan on lisätty myös roudan syvyyksien ja lumen vesiarvojen keskiarvot.
tammi helmi maalis huhti touko kesä heinä marras joulu
I I Valunta + varasto I I Sadannan vajaus Haihdunta
3 Routa [] Lumen vesiarvo ■ (y Sadanta
Kuva 2.2. Vesitaseen osien kuukausikeskiarvot Suomessa (Maa seutu verkosto 2009)
Q = P - E - AS (1) Q on valunta
P on sadan ta E on haihdunta
21S on varaston muutos
2.3 Ilmastonmuutos ja hulevedet
Ilmastonmuutoksen vaikutukset hydrologiseen kiertoon ovat olleet olennainen tutkimuskohde viimeisien vuosikymmenien aikana (Semadeni-Davies et ai. 2007).
Nykyisin on yleisesti tiedossa, että lisääntyneiden kasvihuonekaasujen vaikutuksesta ilmasto tulee lämpenemään seuraavien vuosikymmenien aikana (IPCC 1996, 2001). Ilmastonmuutoksen seurauksena voivat myös tuhoa tuottavien sääilmiöiden esiintymistiheys, voimakkuus sekä alueellinen ja ajallinen jakauma muuttua (Venäläinen et ai. 2007).
Vuosisademäärä Helsinki-Vantaan lentoaseman havaintoasemalla
1000.0 900.0 800.0 700.0 600.0 E 500.0 E 400.0
300.0 200.0 100.0 0.0
1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020
Kuva 2.3. Vuosisademäärät Helsinki-Vantaan lentoaseman havaintoasemalla (Karlsson 2010 muokattu)
Suomessa ilmastonmuutos tulee lisäämään hulevesijärjestelmien vahinkoriskiä sateiden intensiteetin ja todennäköisesti myös sademäärän kasvuna. Sadassa vuodessa rankkasateiden voimakkuuden arvioidaan lisääntyvän 10 - 30 % ja Etelä- Suomessa kesäsateiden osalta jopa 40 %. (SYKE 2008). Talviaikaisen valunnan arvioidaan kasvavan huomattavasti lumen sulamisen ja vesisateiden lisääntymisen takia. Viitteitä sademäärän lisääntymisestä voidaan nähdä jo nyt. Helsinki-Vantaan lentoaseman havaintoaseman vuosisademäärät viimeisen 50 vuoden ajalta
nähdään kuvassa 2.3, havaintojakson aikana keskimääräinen vuosisademäärä on kasvanut liki 100 mm. Niinpä nykyisten hulevesijärjestelmien varastotilavuudet tulevat oletettavasti olemaan riittämättömiä ilmastonmuutoksesta johtuen (OME 2003).
Hulevesien hallinnan suurimmat vaikeudet liittyvät poikkeuksellisen runsaiden rankkasateiden muodostamiin vesimääriin. Myös pintaveden virtausnopeuden kasvu voi muodostua ongelmalliseksi tekijäksi ilmastonmuutoksen edetessä. Eroosiota heikosti kestävien pintamateriaalien syöpyminen infrarakenteissa voi lisääntyä (Mäntylä & Saarelainen 2008). Toisaalta jos lumen puutteen vuoksi kevättulva jää syntymättä, niin jokien alivirtaama pienenee, mikä tasaa rankkasateista johtuvia vesistötulvia (Rimpiläinen 2009).
Luonnonmukaisten hulevesien hallintamenetelmien rooli voi tulla merkittäväksi ilmastonmuutoksesta johtuvien lisääntyneiden sateiden johdosta. Järkevällä ja joustavalla hulevesien hallinnalla voidaan vähentää kaupungistumisen ja ilmastonmuutoksen vaikutuksia. Lisäksi hulevesijärjestelmät voivat muodostaa virkistävän maisemaelementin keskelle kaupunkia. (Semadeni-Davies et ai. 2007)
2.4 Lainsäädäntö
2.4.1 EU-direktii vit
Euroopan Unionin vesipuitedirektiivi (WFD) on kunniahimoinen keino parantaa veden laatuongelmia (Ulén & Weyhenmeyer 2007). Direktiivin mukaan sisävesien ja rannikkoalueiden tulisi olla hyvässä ekologisessa tilassa vuoteen 2015 mennessä (EU 2000). Direktiivin ansiosta hulevesien kuljettamaan sedimenttikuormaan ja sen mukana kulkeutuviin haitta-aineisiin tullaan kiinnittämään yhä enemmän huomiota.
(Faram & Andoh 2008)
Euroopan Unionin direktiivi tulvien arvioinnista ja hallinnasta tuli voimaan marraskuussa 2007 (EU 2007). Direktiivin tarkoituksena on vähentää ja hallita tulvista ihmisen terveydelle, ympäristölle, infrastruktuurille ja omaisuudelle aiheutuvia riskejä (EU 2007). Kansallisten tulvariskien hallintasuunnitelmien tulee olla valmiina vuonna 2015 ja ne sovitetaan yhteen vesienhoidon tavoitteiden kanssa. (Huokuna 2009)
2.4.2 Lait ja asetukset Suomessa
Hulevesiin liittyviä säännöksiä löytyy tällä hetkellä useista eri laeista ja asetuksista, joista keskeisimmät ovat vesihuoltolaki (119/2001), maankäyttö- ja rakennuslaki
(132/1999) sekä vesilaki (264/1961). Suomen lainsäädännössä ei ole yksityiskohtaisia säännöksiä siitä, miten hulevesi- ja viemäriverkostot tulisi mitoittaa (RIL 2004b).
Vesihuoltolain (119/2001) mukaan kunnalla on huolehtimisvelvollisuus hulevesiviemäröinnistä (Vesihuoltolaki 2001). Lainsäädäntö ei nykyisin edellytä hulevesien puhdistamista, eikä hulevesien sisältämille haitta-aineille siten ole määritelty raja-arvoja (Rissanen 2007). Tosin vesilakia voidaan nykyisellään tulkita siten että pohjavesialueella järjestetty imeyttäminen voi edellyttää ympäristölupaviraston lupaa (Tornivaara-Ruikka 2006). Rankkasade- ja taajamatulva - hankkeen loppuraportissa todetaan seuraavaa (SYKE 2008):
"Hulevesijärjestelmiä koskeva lainsäädäntö ja normisto tulisi päivittää sekä yhdenmukaistaa, ja sen tulisi kannustaa vaihtoehtoisten menetelmien soveltamiseen siellä, missä se on mahdollista. Tämä tarkoittaisi myös hulevesijärjestelmien hallintaan liittyvien viranomaisten roolien ja tehtävien sisällön tarkistamista. Lisäksi tarvitaan yhdenmukaiset ohjeet ja määräykset, jotta hulevesijärjestelmiä koskeva suunnittelu, toteutus ja vastuut olisivat selkeät."
2.4.3 Tulevaisuuden näkymiä
Lähitulevaisuudessa hulevesien hallintaa ollaan siirtämässä vesihuoltolaista maankäyttö- ja rakennuslakiin, eli käytännössä kuntien vastuulle (Hurmeranta 2009). Vesihuoltolain tarkistamistyöryhmän asettaman jaoston ehdotuksen mukaan kiinteistön omistaja vastaa hulevesien hallinnasta kiinteistöllään ja hänellä on velvollisuus erotella hulevedet jätevesistä, ellei kunta toisin määrää. Kunta vastaa hulevesien hallinnan järjestämisestä asemakaava-alueella ja muilla alueilla harkintansa mukaan. Kunnalla on oikeus antaa hulevesien hallintaa koskevia määräyksiä ja periä hulevesien hallinnan järjestämisestä maksuja, lisäksi kunta voi halutessaan antaa hulevesien hallintaan liittyvät tehtävät yksityiselle. (Nuuja 2009) Siirtymävaiheessa on tarkoitus käyttää nykyisiä säädöksiä, kunnes kunnalliset määräykset tulevat voimaan. Vesilaitoksen käytössä oleva hulevesiä koskeva tieto ja omaisuus sekä asiakkaan kanssa tehty sopimus siirretään kunnalle. Mikäli asiakkaan hulevedet johdetaan jatkossakin vesilaitoksen jätevesiviemäriin, niin tässä tapauksessa sovellettaisiin jätevesien johtamista koskevia sopimusehtoja ja vesihuoltolain säännöksiä. Jotta koko lakiuudistus voidaan toteuttaa ilman ongelmia, on uudistuksen läpiviemisessä noudatettava riittäviä siirtymäaikoja.
(Kemppainen 2009)
2.5 Hulevesiin liittyvät tutkimukset Suomessa
Ensimmäinen laajempi hulevesitutkimus Suomessa oli vuosina 1977-1979 toteutettu valtakunnallinen hulevesitutkimus (Melanen 1982). Toinen laajempi tutkimus oli vuosina 2001-2003 toteutettu Kaupunkivedet ja niiden hallinta - projekti (RYVE). RYVE- projekti tutki rakennetun ympäristön aiheuttamia hydrologisia muutoksia ja vesistökuormitusta sekä valuma-alueilla tapahtuneita muutoksia. (Kotola & Nurminen 2003a)
Kolmas laajempi hulevesiä koskeva tutkimus oli vuosina 2005-2007 toteutettu Rankkasade- ja taajamatulva -hanke (RATU) (SYKE 2008). RATU -hankkeessa tutkittiin säätutkien avulla Suomessa vuosien 2000-2005 yli 5 miljardia sademittausta. Ilmasto- ja hulevesimallien avulla arvioitiin, miten ilmastonmuutos muuttaa lyhytkestoisia sateita ja miten niiden vaikutukset näkyvät taajamissa.
Muita mainittavia hankkeita ovat muun muassa käynnissä oleva EU:n aluekehitysrahaston rahoittama kuusiosainen STORMWATER - projekti (StormWater 2010). Lisäksi kauan kaivattu kuntaliiton teettämä Hulevesiopas Suomen oloihin valmistunee vuoden 2010 lopussa.
3 R
akentamisen hydrologisetvaikutuksetjaongelmat3.1 Yleistä
Kaupungit ovat ihmisen eniten muokkaamia alueita ympäristössämme (Semadeni- Davies et ai. 2007). Rakentaminen vaikuttaa hydrologiseen kiertoon (kuva 3.1) ja lisää huleveden haitallisia ympäristövaikutuksia (U.S. EPÄ 2004, NRDC 2002).
Kasvillisuuden poistaminen, läpäisemättömän pinnan lisääminen ja tehokas viemäröinti johtavat suuriin virtaamahuippuihin ja virtaaman nopeutumiseen ja äärevöitymiseen (Aaltonen 2008, Semadeni-Davies et ai. 2007, Pettersson 1999).
LUONNONTILA RAKENNETTU .ALUE
Pin tavalun ta
Pin tavailin ta
. - P in take nu sv ai unta „ . .
Put takeim sval un ta Pohjavalunta
Kasveihin
Haihdunta
t
Haihdunta
t
Kuva 3.1 Rakentamisen vaikutuksen hydrologiseen kiertoon (Envirocast 2002 muokattu)
Kasvaneiden virtaamahuippujen ja virtaamien lisäksi kaupungistuminen myös vähentää alivirtaamaa ja pohjaveden uusiutumista (Kauffman et ai. 2009).
Kaupungistuminen lisää ravinteiden, sedimentin ja raskasmetallien määrää valumavedessä sekä nostaa pintavesien lämpötilaa, mikä haittaa vesien eliöstön toimintaa. Kattojen lisäksi tiet ja parkkialueet ovat ehkä ilmeisimpiä hulevesivalumaa lisääviä läpäisemättömiä pintoja. (Moglen 2009)
Myös suomalaisista suurin osa asuu kaupungeissa ja muuttoliike jatkuu edelleen.
Näin ollen läpäisemättömien pintojen määrä kasvaa. Kaupunkien hulevesien viemäröintiä on kuitenkin vaikea tehostaa, jolloin tulvavahinkojen riski kasvaa (SYKE 2008). Olemassa olevilla huleveden hallintamenetelmillä voidaan kuitenkin vähentää tai jopa poistaa huleveden haitallisia vaikutuksia (U.S. EPÄ 2004).
Luonnollinen, läpäisevä maanpinta vähentää hulevesien haitallisia vaikutuksia.
Etenkin ra n ta m etsikot ja koskemattomat maa-alueet ovat avainasemassa (Law et ai. 2009, Roesner et ai. 2001). Kaupunkialueilla monet läpäisevinä pidetyt maa- alueet tiivistyvät niitä muokattaessa ja samalla niiden vedenpidätyskyky heikkenee (Law et ai. 2009). Yleisesti ottaen kaupunkialueiden läpäisemättömällä pinnalla on sitä enemmän vaikutusta vesistöihin, mitä lähempänä vesistöjä ne sijaitsevat.
Metsäalueet pidättävät huomattavasti enemmän vettä verrattuna nurmikoihin ja niittyihin (Brabec 2009). Tässä työssä hulevesien aiheuttamia ongelmia ja vaikutuksia on listattu seuraavasti:
• Huleveden määrään liittyvät ongelmat
• Huleveden laatuun liittyvät ongelmat
• Ympäristöön liittyvät ongelmat
• Rakentamisen aikaiset vaikutukset
• Urheilupuistoalueiden erityisvaikutukset
• Muut vaikutukset
3.2 Huleveden määrä
3.2.1 Yleistä
Roesner et ai. (2001) mukaan kaupungistuminen kasvattaa virtaamahuippuja jopa 2-10 kertaiseksi. Mitä enemmän alueella on läpäisemätöntä pintaa, sitä nopeammin ja tehokkaammin sadanta muuttuu pintavalunnaksi eli hulevedeksi. Selvimmin kaupunkirakentamisen pintavaluntaa lisäävä vaikutus ilmenee kesäisin ja sateettoman kauden jälkeen sekä erityisesti pienten sateiden yhteydessä (Vakkilainen et ai. 2005). Läpäisemättömän pinnan vaikutus valuman määrään nähdään taulukossa 3.1.
Kaupungistuminen lisää pintavaluntaa voimakkaasti, mutta pintakerros- ja varsinkin pohjavesivalunta sitä vastoin yleensä vähenevät (Vakkilainen et ai. 2005).
Virtaamahuippujen jälkeen seuraa huomattavasti pienentyneen virtaaman jakso (Roesner et ai. 2001). Kaupunkialueisiin verrattuna luonnontilaisilla ja maatalousvaltaisilla valuma-alueilla syntyy vain vähän pintavaluntaa (Vakkilainen et ai. 2005).
Taulukko 3.1 Läpäisemättömän pinnan vaikutus hydrologiseen kiertoon (Metropolitan Council 2001, Federal Interagency SRWG 2000)
Hydrologiset osatekijät
Luonnontilainen alue (%)
Läpäisemättömän pinnan osuus (%) 10 - 20 35 - 50 75 -100 Maa-alueelta tapahtuva
haihdunta
40 38 35 30
Pintavalunta 10 20 30 55
Imeytyminen pintamaahan
25 21 20 10
Imeytyminen syvälle maahan
25 21 15 5
Yhteensä 100 100 100 100
Kaupungistumisesta aiheutuva pintavalunnan kasvu on suurinta pienten usein toistuvien sateiden yhteydessä (Roesner et ai. 2001), mikä on merkittävää koska nämä pienet sateet muodostavat suurimman osan vuosittaisesta sademäärästä.
Pienet sateet ovat merkittävässä roolissa myös pohjaveden muodostumisen kannalta. (US. EPÄ 2004)
3.2.2 Tulvat
Tulvan aiheuttaa sisämaassa lumen sulaminen ja/tai rankkasade, ja sen syntyminen ja voimakkuus riippuvat myös valuma-alueen ominaisuuksista (Mäntylä
& Saarelainen 2008). Tulvat ovat vanha ongelma, niitä tapahtuu niin pienten kuin suurtenkin vesistöjen lähistöillä (Durrans et ai. 2003), ja rankkasateiden takia myös kaukana vesistöistä. Tulvavahinkoja syntyy, jos tulva-alueella on kohteita tai rakenteita, joihin syntyy haitallisia vaikutuksia, kuten korjausta edellyttäviä vaurioita ja käytön estymistä. (Mäntylä & Saarelainen 2008).
Kaupungistumisen seurauksena virtaamat kasvavat (Roesner et ai. 2001).
Luonnonmukaisen vesirakennuksen tutkimuksessa on havaittu, että kaupungistumisen myötä myös virtaamavaihtelut lisääntyvät (Jormola et ai. 2003).
Ilmastonmuutos lisää sademääriä ja rankkasateiden määrää, Suomessa sateiden ennakoidaan runsastuvan talvella kesää enemmän, mutta toisaalta rankkasateita ei esiinny talvella niin usein kuin kesällä (SYKE 2008).
Tulvien seurauksena uoma syvenee ja juurellisten kasvien määrä vähenee, mikä heikentää uoman penkereiden vakavuutta aiheuttaen mahdollisesti penkereiden sortumisia (Roesner et ai. 2001). Tulvasuojeluhankkeissa tulisi paikallisen tulvasuojelun sijasta keskittyä koko valuma-alueen tarkasteluun (Jormola et ai.
2003).
3.2.3 Eroosio
Sadepisarat aiheuttavat maahan tippuessaan eroosiota (kuva 3.2), jonka seurauksena huleveteen kulkeutuu kiintoainetta. Lisäksi vesi on hyvä liuotin, mikä johtaa myös muiden aineiden liukenemiseen huleveteen (Pettersson 1999).
Vesistöissä lisääntynyt huippuvirtaama ja virtausnopeus, jotka ylittävät uoman normaalin kestokyvyn, lisäävät rantapenkereiden eroosiota. Ajan kuluessa uoma muuttuu kasvaneen virtaaman takia leveämmäksi ja suoremmaksi. Eroosion vaikutuksesta rantapenkereet voivat sortua, puut ja pensaat kaatua ja maanalaiset putkistot paljastua. Irronnut maa-aines kulkeutuu virran mukana, kunnes se laskeutuu uoman pohjaan paikassa jossa virtausnopeus on tarpeeksi pieni. Täällä kasaantunut sedimentti johtaa uoman mataloitumiseen ja lisää samalla alueen tulvariskiä. (Durrans et ai. 2003)
Kuva 3.2 Eroosion tyypit ja muodostuminen (Valpasvuo-Jaatinen 2007) 3.3 Huleveden laatu
3.3.1 Yleistä
Kaupungissa hulevesien haitta-aineita syntyy monista lähteistä, kuten liikenteestä, teollisuudesta, rakennuksista, eläinten jätöksistä ja jätteiden käsittelystä. Haitta- aineiden lisäksi huleveden laatua heikentää luonnollisten pintavettä puhdistavien elementtien, kuten avo-ojien, lammikoiden ja kosteikkojen, vähyys. (Vakkilainen et ai. 2005)
Tutkimukset ovat osoittaneet suoran yhteyden metsän vähenemisen ja läpäisemättömin pintojen lisääntymisen vaikutuksista valuma-alueen ja vastaanottavien vesistöjen veden laatuun (NRDC 2002). Kaupunkialueiden hulevesi on lähivesistöjen merkittävä hajakuormituksen lähde (Chocat et ai. 2001).
Merkittävimmät huleveden laatua heikentävät tekijät ovat kiintoaine, ravinteet (typpi, fosfori), raskasmetallit (kupari, lyijy, sinkki, yms.) ja kolibakteerit, sekä joissain tapauksissa PAH- yhdisteet (Roesner et ai. 2001). Kuvassa 3.3 nähdään Sillanpään (2007 listaamat huleveden yleiset laatuparametrit sekä tyypillisimmät huleveden laatuun vaikuttavat aineet.
Kuva 3.3 Huleveden laatuparametreja ja haitta-aineita (Sillanpää 2007 muokattu) Sadevesi ei yleensä sisällä mainittavasti haitta-aineita, vaan huleveden laatu huononee vasta siihen liuenneiden aineiden vaikutuksesta. Ilmalaskeuman seurauksena sadevedessä voi olla ympäristöstä riippuen olla rikkiä tai ravinteita.
Läpäisemättömien pintojen suora yhteys vesistöihin on vakava uhka vesien ekosysteemeille, koska ne johtavat likaisen huleveden välittömästi vastaanottavaan vesistöön (Walsh 2009).
Saman alueen huleveden laatu voi vaihdella voimakkaasti vuodenaikojen ja sadeolosuhteiden mukaan. Tärkeitä huleveden laatuun vaikuttavia tekijöitä ovat kallio- ja maaperän geologinen ikä sekä sateen intensiteetti (Duncan 1999).
Taulukossa 3.2 on yhteenveto hulevesien haitta-aineiden lähteistä sekä kaupungistumisen aiheuttaman lisääntyneen pitoisuuden haittavaikutuksia.
Taulukko 3.2. Haitta-aineiden lähteet ja merkitys luonnossa (Ferguson 1998, US.
EPÄ 1999 muokattu)
Haitta-aine Lähde Vaikutukset vesiympäristöön
Sedimentti kadut, nurmikot, pihatiet, rakennustyömaat,
uomaeroosio
kuljettaa ravinteita ja kemikaaleja, samentaa vettä, peittää vesistön pohjan elinalueita, kuluttaa kalojen kiduksia
Torjunta- aineet
nurmikot, puutarhat,
tienpientareet, maisemoidut ympäristöt,
maaperähuuhtouma Orgaaniset
yhdisteet ja ravinteet
nurmikot, puutarhat, maisema-rakentaminen, eläinten jätökset, nurmikon lannoitteet, ilmalaskeuma, autojen pakokaasut,
maaperäeroosio, pesuaineet
haittaa ekosysteemin toimintaa, johtaa leväkukintoihin, hajoaminen
kuluttaa happea
Metallit autot, sillat, ilmalaskeuma, teollisuusalueet,
maaperäeroosio, ruostuvat metallipinnat,
palamistapahtumat
vähentää eliöstön vastustus- ja lisääntymiskykyä, aiheuttaa käytöshäiriöitä
Öljyt, rasvat ja hiilivedyt (PAH yhdisteet)
tiet, pihatiet,
pysäköintialueet, ajoneuvojen huoltoalueet, bensiiniasemat, laiton jätteiden johtaminen hulevesiviemäriin
kuluttaa happea
Kloridi liukkaudentorjunta aineet maaperän hedelmällisyyden ja kasvun väheneminen
Bakteerit ja virukset
nurmikot, tiet, vuotavat jätevesiviemärit, jätevesi- viemäreiden liitoskohdat, eläinten jätökset,
jätevesi-järjestelmät
aiheuttaa tautivaaran
3.3.2 Alkuhuuhtouma
Suurin osa hulevesien haitta-aineista kulkeutuu vesistöön alkuhuuhtouman aikana (Kotola & Nurminen 2003a), kun satanut vesi huuhtoo läpäisemättömille pinnoille kertyneen lian. Tätä ilmiötä kutsutaan alkuhuuhtouma-ilmiöksi (first flush -effect) (Vakkilainen et ai. 2005). Taulukossa 3.3 nähdään esimerkki alkuhuuhtouman sisältämistä haitta-aineista Kalifornialaisella moottoritiellä, tulokset on saatu 8 päivän sateettoman kauden jälkeisestä 17 mm sateen aiheuttamasta valumasta (Stenström et ai. 2001).
Taulukko 3.3. Haitta-aine huuhtoutuma (Stenström et ai. 2001 muokattu)
Haitta-aine 1/5 haitta-ainesta
muodostuu se ura a van valuman % -osuuden jälkeen
1/2 haitta-ainesta muodostuu seuraavan valuman % -osuuden jälkeen
Kiintoaine (TSS) 9 % 27 %
Haihdutusiäännös (VSS) 5 % 18 %
Kemiallinen hapenkulutus (COD) 2 % 8 %
Liuennut orgaaninen hiili (DOC) 2 % 18 %
Öljyt ja rasvat 8 % 52 %
3.3.3 Kiintoaine
Hulevesivaluman mukana kulkeva kiintoaine samentaa vettä, mutta se kuljettaa mukanaan myös haitta-aineita ja ravinteita. Huomattava osa fosforikuormituksesta kulkeutuu kiintoaineiden mukana ja myös torjunta-aineet voivat sitoutua kiintoaineeseen. Veden samentuessa valo ei enää tunkeudu yhtä syvälle veteen ja vesikasvien tuotantokerros ohenee. Sedimentin kasaantuessa, myös vesistön varastotilavuus pienenee. (Majoinen 2005)
Huleveden sisältämä kiintoaine on pääosin epäorgaanista ainetta. Kiintoaineen suuri päästölähde on liikenne ja siihen ovat sitoutuneet monet epäpuhtaudet, kuten fosfori, öljy ja raskasmetallit. Tämän vuoksi kiintoaineen poisto hulevedestä on tärkeää (Rissanen 2007). Jos hulevedessä on orgaanista ainetta, niin se kuluttaa happea ja siten heikentää eliöiden elinmahdollisuuksia. Laskeutuessaan uoman pohjaan kiintoaine tuhoaa kalojen elinympäristöjä ja kutusoraikkoja sekä pohjaeläimistöä. (Ferguson 1998)
3.3.4 Ravinteet
Tärkeimpinä ravintoaineina pidetään typpeä ja fosforia, joista fosfori on yleisesti minimiravinne, joka rajoittaa kasvua vesistöissä. Suurien ravinnekuormitusten alaisina olevien vesialueiden monimuotoisuus on vähäistä ja usein muutamien levälajien esiintyminen on runsainta (Ferguson 1998).
Pohjasedimentissä fosfori voi esiintyä maa-ainekseen sitoutuneena tai huokosveteen liuenneena, molemmat tyypit voivat käsittää orgaanisia ja epäorgaanisia komponentteja. Typpi on ilmakehän yleisin alkuaine, tosin kaasumuodossaan se on vain harvoille organismeille käyttökelpoista. Typen kierto poikkeaa fosforin kierrosta, sopivissa olosuhteissa vedestä voi poistua tai siihen voi sitoutua typpikaasua. Suurella osalla typpi kuormituksesta ei ole mitään tekemistä
ihmisten aiheuttamien päästöjen kanssa, vaan ne aiheutuvatkin ilmalaskeumasta.
(Majoinen 2005)
3.3.5 Raskasmetallit
Huleveteen pääse raskasmetalleja teollisuusjätteistä, metallisista putkistoista ja korroosion seurauksena myös muista lähteistä (Zoppou 2001). Määränsä puolesta talojen peltikatot ovat yksi tärkeimmistä lähteistä. Haitallisimpia raskasmetalleja ovat kupari, elohopea, kadmium ja sinkki. Muita vesiympäristölle vähemmän haitallisia metalleja ovat rautaoksidit, lyijyjä kromi. (Zoppou 2001)
Kupari on hyvin myrkyllistä useimmille vesikasveille ja vedessä eläville selkärangattomille, sen myrkyllisyys kasvaa veden happamuuden kasvaessa.
Elohopea on hyvin myrkyllinen vesikasveille, eliöille ja myös ihmiselle. Kadmium kerääntyy elimistöön ja on ihmiselle myrkyllistä. Myös eräät kalat ja vedessä elävät selkärangattomat ovat hyvin herkkiä kadmiumille, jonka myrkyllisyys kasvaa kuparin tavoin happamuuden kasvaessa. Sinkin myrkyllisyys syntyy yhteisvaikutuksesta muiden raskasmetallien kanssa ja aiheuttaa epäsuotuisia morfologisia ja fysiologisia muutoksia kaloissa. (Zoppou 2001)
3.3.6 PAH -yhdisteet
PAH -yhdisteet (polysykliset aromaattiset hiilivedyt) ovat haihtuvia orgaanisia yhdisteitä (Kotola & Nurminen 2003a). Lopes'n ja Dionnen (1998) tutkimuksen mukaan moottoriöljy ja ajoneuvojen päästöt ovat suurimmat hulevesien PAH - yhdisteiden lähteet. Tunnettuja PAH -yhdisteitä ovat esimerkiksi bentseeni, akryyliamidi ja tolueeni, niitä käytetään ainakin kumin, muovin, liuottimien ja muiden kemikaalien valmistuksessa (Lopes & Dionne 1998).
3.3.7 Muut haitta-aineet
Bakteerit kuten kolibakteerit, streptokokki ja muut patogeeniset bakteerit ovat lähtöisin jätevedestä tai eläinten jätöksistä. Ne voivat aiheuttaa infektioita ja sairauksia (Zoppou 2001). Liukkaudentorjunta aineista aiheutuva liiallinen kloridipitoisuus heikentää maaperän hedelmällisyyttä (Ferguson 1998).
3.4 Ympäristöön liittyvät ongelmat
3.4.1 Yleistä
Kaupunkihulevedet vaikuttavat vastaanottavan vesistön biologiseen tilaan, varsinkin kasvi- ja eläinlajiston runsauteen ja monimuotoisuuteen. Lisäksi
saastuneet hulevedet voivat heikentää vastaanottavan vesistön hyöty- ja virkistyskäyttömahdollisuuksia, kuten vedenottoa, uimista ja kalastusta. Myös vastaanottavan vesistön kauneusarvot ja esteettisyys heikkenevät. (Chocat et ai.
2001)
Kaupunkialueen vesiuomissa tapahtuvan eroosion ja sedimentaation seurauksena vesiluonnon biodiversiteetti vähenee ja lisäksi laskeutunut sedimentti haittaa vesien elinympäristöjä täyttämällä vastaanottavia vesistöjä (Chocat et ai. 2001, Roesner et ai. 2001). Luonnonmukainen rantavyöhyke on olennainen edellytys vesistöjen eliöstölle ja sen poistuessa myös osa eliöstöstä katoaa, vaikka rantavyöhyke korvattaisiin muilla biotoopeilla (Järvelä 1998).
3.4.2 Pohjavesi
Sadeveden imeytyminen maakerrosten läpi on olennaista pohjaveden muodostumisen kannalta. Imeytymisen tehokkuus määräytyy kaltevuuden, maaperän ominaisuuksien, sadetapahtumaa edeltäneiden kosteusolosuhteiden, lämpötilan sekä alueen kasvillisuuden tyypin ja paksuuden mukaan (US. EPÄ 2004).
Kaupunkialueen päällystetyt pinnat vähentävät veden imeytymistä maaperään ja edelleen pohjaveteen, tällöin pohjaveden pinta tavallisesti alenee ja pohjavesivirtaus uomiin pienenee (Vakkilainen et ai. 2005).
Kaupungistuminen voi myös huonontaa pohjaveden laatua, jos hulevedet johdetaan suoraan maaperään. Teollisuusalueilta ja muista riskikohteista voi päästä pohjaveteen raskasmetalleja ja myrkyllisiä kemikaaleja (US. EPÄ 2004). Lisäksi alentunut pohjaveden pinta voi johtaa maanpinnan painumiseen ja siitä aiheutuviin vahinkoihin kaupungeissa (Chocat et ai. 2001).
3.4.3 Kaupunkipurot
Kaupungistumisen edetessä tulvasuojelu näkökohtien takia purouomat tai muut luonnon vesitiet yleensä oikaistaan ja syvennetään tai korvataan kokonaan maanalaisilla hulevesiviemäreillä (NRDC 2002). Luonnolliset virtavedet ovat sopeutuneet kestämään suuriakin virtaamavaihteluja ja siten niiden palautumiskyky on suuri (Järvelä 1998). Purouomien muokkausasteella on havaittu olevan selkeä yhteys uoman virtaukseen ja eliöstön monimuotoisuuteen (Vakkilainen et ai. 2005).
Luonnontilaisissa uomissa vesieliöstön elinolosuhteet ovat monipuoliset, virtaukset ja pohjan muoto vaihtelevat. Muokatuissa uomissa eliöstön elinolosuhteet ovat yksipuoliset ja uoman muutoksilla voi olla ratkaiseva merkitys muun muassa purojen kalastolle. Lisäksi purojen maisemallinen ja virkistyskäytöllinen arvo tukee
niiden säilyttämistä avoimina myös taajamaympäristössä (Vakkilainen et ai. 2005).
Taulukossa 3.4 nähdään Schoulerin (1994) määrittelemiä läpäisemättömän pinnan vaikutuksia kaupunkipurojen tilaan. Myös Arnoldin ja Gibbons'n (1996) mukaan virtaveden tilan ja valuma-alueen läpäisemättömän pinta-alan välinen yhteys on merkittävä.
Taulukko 3.4. Läpäisemättömän pinnan vaikutus kaupunkipuroihin (Schueler 1994 muokattu)
Taajamapuron tila Herkän
tasapainoinen puro
Muuntuva puro Taantunut puro Läpäisemättömän
pinnan osuus
0 - 10 % 11 - 25 % 26 - 100 %
Uoman vakavuus Vakaa Epävakaa Erittäin epävakaa
Vedenlaatu Hyvä Kohtalainen Kohtalainen -
Huono Puron biologinen
monimuotoisuus
Erinomainen - Hyvä Hyvä - Kohtalainen
Vähäinen Puroluonnon suojelu Suojellaan puron
biologista
monimuotoisuutta ja uoman vakavuutta
Ylläpidetään puron tärkeimmät ominaispiirteet
Vähennetään alavirtaan kohdistuvaa kuormitusta Vedenlaadun seuranta Sedimentoituminen
ja lämpötila
Ravinne- ja metallikuormat
Ulosteperäiset bakteerit Hulevesien hallinnan
tavoite
Välilliset
ympäristövaikutukset
Välitön puhdistus- tehokkuus
Välitön puhdistus- tehokkuus
Maankäytön ohjaus Läpäisemättömän pinnan rajoittaminen valuma-alueella ja tonteilla
Läpäisemättömän pinnan
rajoittaminen tonteilla
Taajamarakenteen tiivistäminen ja täydennys
rakentaminen Alueen tilan seuranta Läpäisemättömän
pinnan määrä sekä ympäristön
biologinen tila
Haitta-aineiden määrä
Haitta-aineiden määrä
Uudet
rakennushankkeet
Uudet hankkeet ohjataan muualle
Uusia hankkeita ei sallita
Uudet rakennus
hankkeet sallitaan Suojavyöhykkeet Laaja ja yhtenäinen
suojavyöhyke- verkosto
Keskitason suojavyöhykkeet
Viherkäytävät
3.4.4 Lämpövaikutus
Läpäisemättömät pinnat, kuten katot ja asfaltti imevät itseensä lämpöä ja nostavat samalla hulevesien lämpötiloja (Schueler 1994). Hulevedet aiheuttavat vastaanottavissa vesistöissä lämpötilan nousua, mikä haittaa vesien eliöstön toimintaa (NRDC 2002, Moglen 2009). Kesäkuukausina läpäisemättömän pinnan alueilla huleveden lämpötila voi olla jopa 5 - 7 °C astetta korkeampi mitä niitty- tai metsäalueella (Schueler 1994).
3.5 Muut vaikutukset
3.5.1 Talviolosuhteet ja sulamisvedet
Kaupunkialueella lumiolosuhteet vaihtelevat suuresti, joiltakin alueilta lumi poistetaan kokonaan, ja joillekin alueille sitä kasataan muualta. Myös lumen ominaisuudet vaihtelevat tästä johtuen suuresti. Kaupunkiympäristölle on ominaista että lumen sulaminen alkaa ja päättyy aikaisemmin ja on nopeampaa kuin maaseudulla. (Vakkilainen et ai. 2005)
Talven aikana kaupunkialueen lumeen kertyy mm. liikenteen päästöistä haitta- aineita, joten huleveden laatu voi sulamiskaudella olla huonompi kuin sulan veden aikana (Jormola et ai. 2003). Kaupungin sulamisvedet ja talvivalunta kuljettavat suhteettoman suuria määriä vakavasti haitallisia aineita. Tulokset ovat näyttäneet että sulamisvalunnassa raskasmetallit ovat lujemmin sitoutuneita partikkeleihin kun sateen aiheuttamassa valunnassa. (Viklander et ai. 2003)
Valtakunnallisessa hulevesitutkimuksessa keskusta-alueiden sulamisvesien laatu todettiin huonommaksi kuin sulan kauden hulevesien laatu. Kaikilla tutkimuksen kaupunkialueilla kiintoaine-, typpi- ja kloridipitoisuus sekä sähkönjohtavuus olivat lumen sulamisvedessä korkeampia kuin sulan kauden hulevesissä (Melanen 1982).
Kaupunkien lumenkaatopaikat ovat merkittävä yksittäinen lumen sulamisvesien haitta-aineiden aiheuttaja.
3.5.2 Sadannan muutokset
On todettu että kaupunkien kasvu lisää rankkasateiden määrää (Semadeni-Davies et ai. 2007). Isoissa kaupungeissa sademäärien on havaittu olevan keskimäärin 10
% suurempia kuin ympäröivällä maaseudulla (Vakkilainen et ai. 2005).
Yleensä kaupungistuminen myös vähentää haihduntaa. Kasvillisuuden vähyys ja nopea hulevesien poisjohtaminen ovat rakennetulla alueella haihduntaa pienentäviä tekijöitä. Haihdunnan vähentyminen merkitsee kokonaisvalunnan lisääntymistä.
(Vakkilainen etat. 2005)
3.5.3 Jätevesijärjestelmän käyttöön liittyvät ongelmat
Hulevesimäärien lisääntyminen laimentaa jätevettä ja heikentää puhdistustulosta jätevedenpuhdistamolla. Sekaviemärien korvaaminen erillisviemäreillä aiheuttaa
suuria kustannuksia. (Chocat et ai. 2001)
3.6 Rakentamisen aikaiset vaikutukset
Rakentaminen, joka poistaa pintamaan ja sitä suojaavan kasvillisuuden altistaa maan tuulen ja veden aiheuttamalle eroosiolle (Durrrans et ai. 2003). Pintamaa ja kasvillisuus ovat tärkeimmät tekijät jotka kontrolloivat hulevesivalumaa luonnollisessa veden kiertokulussa (NRDC 2002). Lisäksi rakentamisen aikana rakennusmateriaalit ja sedimentit altistuvat sateelle (NRDC 2002), joka voi kuljettaa sedimenttejä vasta rakennettuihin viemäriaukkoihin ja putkistoihin ja samalla tukkia ne (Durrrans et ai. 2003). Rakennuspaikoilta tulevan huleveden kiintoainepitoisuus voi olla jopa 2500 -kertainen verrattuna väljästi rakennettuun asuinalueeseen (Songonzi et ai. 1980).
Rakentamisen aikainen valuma sisältää enemmän kiintoainetta ja ravinteita kuin valmiilta alueilta tuleva valuma (Vakkilainen et ai. 2005). Rakentamisen aikaista valumaa on arvioitu Kotolan ja Nurmisen (2003b) tutkimuksessa Espoon Saunalahdenrannan alueella. Alueen huleveden vuosivaluma sisälsi 57 kg/ km2/a kokonaisfosforia, 570 kg /km2/a kokonaistyppeä ja 60 500 kg/km2/a kiintoainetta;
nämä arvot ovat yli kolminkertaiset verrattuna jo rakennettuun alueeseen.
Tutkimuksen perusteella voidaan arvioida että rakennusaikainen kuormitus kestää yleensä noin 1,5 vuotta (Kotola & Nurminen 2003b). Lisäksi juuri valmistuneiden alueiden kuormituksen voi odottaa olevan myös reilusti korkeampi kuin vanhempien alueiden, koska kasvillisuus joko puuttuu tai on nuorta alueen muokatuilla osilla (Vakkilainen et ai. 2005).
3.7 Urheilupuistoalueiden erityisvaikutuksia
3.7.1 Urheiluhallit
Urheiluhallit omaavat suuria kattopinta-aloja, jotka keräävät paljon sadevettä, ja tuottavat siten suuria määriä hulevettä. Huleveden määrää voidaan kuitenkin vähentää käyttämällä viherkattoja ja ohjaamalla katolta tuleva vesi istutuslaatikoihin, biopidätysalueille tai viherpainanteisiin.
3.7.2 Urheilukentät
Urheilukenttäalueen kuivatus tapahtuu salaojituksena ja joissain paikoin myös avo- ojituksena. Kenttäalue on kauttaaltaan salaojitettu tai viemäröity, myös pintavesikouruja ja kaivoja käytetään veden johtamiseksi päällystetyillä alueilla.
Juoksuradat on yleensä vielä kallistettu (sivukaltevuus 0,5...1,0 %) kuivatuksen nopeuttamiseksi. Avo-ojia käytetään sadevesiviemäreiden ohella kenttäalueen
salaojien laskuojina. Avo-ojilla voidaan lisäksi estää veden tulo urheilukentän ulkopuolelta alueelle. (RIL 1980)
3.7.3 Pysäköintialueet
Tutkimuksen mukaan typpipitoisuus asfaltoidun pysäköintialueen valumavedessä oli pienempi kuin maantiellä, fosforipitoisuus oli sama molemmilla alueilla.
Sademäärän, valuma-alueen, asfalttipinnan ja koskemattoman maapinnan määrän avulla voi hyvin arvioida ravinnekuormia (Passeport & Hunt 2009). Taulukossa 3.5 nähdään pysäköintialueen ja niityn hulevesien laatueroja.
Taulukko 3.5. Pysäköintialueen ja niityn hulevesivaluman vertailua (Schueier 1994)
Parametri Yksikkö Pysäköintialue Niitty
Läpäisemättömän pinnan osuus % 100 1
Kaltevuus % 3 3
Virtausmatka m 61 61
Valumakerroin - 0,95 0,06
Konsentraatio aika min 4,8 14,4
Huippuvirtaama sademäärällä 79 mm
(3,1 tuumaa) m3/s 0,12 0,01
Huippuvirtaama sademäärällä 226 mm
(8,9 tuumaa) m3/s 0,36 0,09
Hulevesimäärä sademäärällä 25 mm
(1 tuuma) m3 97,6 ^2.
Virtaaman nopeus sademäärällä 79 mm
(3,1 tuumaa) m/s 2,4 0,5
Fosforikuorma vuodessa kq/(ha a) 2,2 0,6
Typpikuorma vuodessa kq/(ha a) 17,2 2,2
Sinkkikuorma vuodessa kq/(ha a) 0,3 0
Asfalttipintaisten pysäköintialueiden hulevedessä oli suurempia konsentraatioita rautaa, mangaania, lyijyä, kuparia ja sinkkiä verrattuna betonipintaiseen alueeseen. Pienin muutoksin, kuten vähentämällä läpäisemättömän pinnan määrää ja lisäämällä viherpainanteita, voidaan kuitenkin pienentää hulevesivalumaa ja haitta-ainemääriä (Rushton 2001). Autot ovat merkittäviä haitta-aineiden lähteitä, ne voivat aiheuttaa mm. öljytuotteiden, ravinteiden, myrkyllisten nesteiden ja raskasmetallien päästöjä. (NRDC 2002)
4 H
ulevesien luonnonmukainen hallinta4.1 Hulevesien hallintamenetelmät
4.1.1 Tausta
Luonnonmukaisen hulevesien hallinnan juuret ovat Saksassa, jossa luonnonmukainen vesirakennus (Naturnaher wasserbau) käsite esiteltiin jo vuonna 1938 prof. Alvin Seifertin toimesta (Järvelä 1998). Valuma-aluelähtöinen hulevesien hallinnan suunnittelu on puolestaan syntynyt Yhdysvalloista.
2000-luvun taite on ollut mielenkiintoista aikaa hulevesien saralla.
Putkijärjestelmille on tulossa vaihtoehdoksi kokonaisvaltainen hulevesien hallinta, joka matkii luonnon omia menetelmiä (Semadeni-Davies et ai. 2007). Hulevesien luonnonmukaisesta hallinnasta käytetään maailmalla eri nimityksiä. Yleisimmin käytössä on Best management practice (BMP) käsite (Durrans et ai. 2003), lisäksi puhutaan Sustainable drainage system (SUDS) menetelmästä (Semadeni-Davies et al. 2007) ja kaupunkisuunnittelun yhteydessä matalavaikutteisesta rakentamisesta eli Low impact development (LID) käsitteestä (Heaney & Sansalone 2009).
Muodostunutta hulevettä voidaan käsitellä monin eri tavoin, yleisimpiä ovat erilaiset luonnonmukaiset imeyttämis-, johtamis-, viivyttämis- ja lasketusmenetelmät sekä kosteikot (Vakkilainen et ai. 2005). Huleveden luonnonmukaisen hallinnan keinoin voidaan parantaa hulevettä vastaanottavan vesistön tilaa vähentämällä huleveden määrää, tasaamalla virtaamavaihteluita ja parantamalla veden laatua. Samalla voidaan ylläpitää pohjavesi- ja pintavesivarastoja sekä parantaa maan kosteustasapainoa ja asuinympäristön viihtyisyyttä (Vakkilainen et ai. 2005).
Puhdistetut hulevedet ovat vesitasapainon ja ekosysteemien kannalta kiertäviä luonnonvaroja eivätkä poisjohdettavia jätteitä (Salminen et ai. 2005). Kuvassa 4.1 nähdään miten kaupungistuminen voidaan toteuttaa vesistöjä suojellen.
Hulevesien hallinnan suunnittelu on poikkitieteellistä, hallinnolliset rajat ylittävää ja perinteisiä putkiratkaisuja haastavampaa, siksi suunnitteluprosessille tulisi varata riittävästi aikaa (Salminen 2008). Hulevesien hallintamenetelmien suunnittelu vaatii yhä innovatiivisempia ratkaisuja hulevesimäärän pienentämiseksi (Durrans et ai.
2003). Kaupungistuminen lisää ympäristön kuormitusta tuhansin kemikaalein, joiden kulkeutuminen, vaikutukset ja yhteisvaikutukset ympäristössä eivät ole tiedossa (Salminen et ai. 2005). Suurin hyöty luonnonmukaisilla hallinta- menetelmillä saavutetaan pienten ja keskisuurten sateiden osalta. Äärimmäisten
tilanteiden varalle tarvitaan luonnonmukaisten hallintamenetelmien rinnalle myös perinteisiä tulvasuojelumenetelmiä joilla ehkäistään hulevesitulvia ja johdetaan syntyneet hulevedet pois kaupunkialueelta. (Durrans et ai. 2003)
KAUPUNKIRAKENTAMISEN TAVOITTEET
Kuva 4.1 Luonnonmukainen kaupunkirakentaminen (Salminen 2008) 4.1.2 Hulevesien luonnonmukaisen hallinnan tavoitteet
Hulevesien luonnonmukaisen hallinnan tavoitteena on pyrkiä matalavaikutteisen rakentamisen (LID) ja hulevesien rakenteellisten hallintamenetelmien (BMP) rinnakkaiseen toteuttamiseen. Näin saavutetaan molempien menetelmien hyödyt.
Hulevesien muodostumista vähennetään läpäisemättömien pintojen mitoituksella ja sijoittelulla, sekä monimuotoisten viheralueiden lisäämisellä koko valuma-alueella.
Valuma-alueen hydrologiset olosuhteet pyritään säilyttämään mahdollisimman lähellä luontaisesta. Virtaamahuippuja hallitaan keskitetyillä menetelmillä, kuten kosteikoilla tai altailla (Salminen 2008). Hulevesien hallinnan suunnitteluun otetaan mukaan kaikki mahdolliset tahot. Alueen asukkaiden mukanaolo suunnittelussa on tärkeää, koska se lisää asukkaiden ympäristöä vaalivaa käyttäytymistä tulevaisuudessa (Salminen 2008). Kuvassa 4.2 nähdään havainnekuva hulevesien hallinnan tavoitetasosta.
Viherkatto
Feiden roojeto Metrien kunnot toi Sadevesi tynnyri Biopidätys
viher- painanne
Kapea katu Imevtvsoja
*) ei reunakivii eikä viemäreitä
Viherkatto Sadepuut arha
LID - huleveden imeytykseen ja pienten sateiden kontrollointiin BMP -virtaamahuippujen ja suurten sateiden kontrollointiin
Kosteikko / lammikko
Pohjapato
Vakaa uoma ja luonnollinen rantavyöhyke
Kuva 4.2. Hulevesien hallinnan tavoitetaso (Gumb 2007 muokattu)
4.1.3 Periaatteet
Hulevesien luonnonmukaisen hallinnan pääperiaatteina on säilyttää vesistöön purkautuvan valuman määrä ja laatu sekä virtaaman luontainen ajallinen vaihtelu ennallaan maankäytön muutoksista huolimatta (Mäntylä & Saarelainen 2008, Salminen et ai. 2005). Tavoitteen toteutumiseksi alueen hydrologinen tila on säilytettävä mahdollisimman lähellä alueen luonnonmaantieteellisesti ja ilmastollisesti luontaista tilaa, sekä turvauduttava erilaisiin huleveden hallintamenetelmiin (Salminen et ai. 2005).
Hulevedet ja lumen sulamisvedet käsitellään luonnonmukaisesti ja mahdollisimman lähellä syntypaikkaa, samalla etsitään hulevesille hyödyllisiä käyttötarkoituksia (Salminen et ai. 2005, NRDC 2002). Lisäksi hallintamenetelmien toiminta on varmistettava myös luontaisten tulvatapahtumien ja kuivien kausien jälkeen.
Tavoitteena on vähentää valunnan muodostumista sekä lisätä imeytymistä, viipymää ja haihduntaa sekä minimoida läpäisemätön pinta. Luontaiset valuntareitit ja tulva-alueet otetaan uudestaan käyttöön mahdollisuuksien mukaan. (Salminen et ai. 2005)
Veden laatua pyritään parantamaan kasvien ja kosteikkorakenteiden avulla, joissa luontaiset fysikaaliset, kemialliset ja biologiset puhdistusprosessit poistavat rakennetun alueen kuormitusta. Myös lumi varastoidaan siten, että sulamisvedet
kulkevat lammikko-kosteikkorakenteen läpi purkuvesistöön (Salminen et ai. 2005).
Yhdistelemällä hulevesien hallinnassa eri menetelmiä saadaan yleensä parhaat tulokset.
4.1.4 Suunnittelu ja mitoitus
Hulevesien luonnonmukainen hallinta edellyttää huolellista alue ja kohde- suunnittelutyötä. Lähtökohtana suunnittelussa on koko valuma-alueen kattava tarkastelu. Hulevesien hallintamenetelmien veden johtamis-, viivytys- ja käsittelyrakenteiden mitoituksen on perustuttava virtaaman maastomittauksiin ja laskennallisesti määrättyihin arvoihin (Salminen et ai. 2005). Taulukossa 4.1 on Ontarion ympäristöviraston laatimia ohjeita eri hallintamenetelmien tilavuuksista per ha.
Taulukko 4.1. Eri hallintamenetelmien vaativia tilavuuksia (OME 2003)
Hulevesien Varastotilavuus (m3/ha) kun läpäisemättömän pinnan osuus:
Hallintamenetelmä 35% 55% 70% 85%
Imeyttäminen 20-25 20-30 20-35 20-40
Kosteikko 60-80 60-105 60-120 60-140
Lammikko-kosteikko 60-110 70-150 75-175 80-195
Lammikko 60-140 75-190 85-225 95-250
4.1.5 Menetelmien jaottelu
Huleveden hallintamenetelmät voidaan jakaa toimintaperiaatteiden mukaan eri ryhmiin. Tässä työssä menetelmät on jaettu hulevesien vähentämiseen, imeyttämiseen, viivyttämiseen, johtamiseen, kosteikkoihin sekä muihin menetelmiin. Kirjallisuudessa menetelmiä on jaettu yleisesti paikallisiin ja alueellisiin sekä rakenteellisiin ja ei-rakenteellisiin (nonstructural) menetelmiin (Durrans et ai. 2003). Menetelmien ehdotonta jaottelua on kuitenkin vaikea tehdä, koska huleveden hallintamenetelmät toteuttavat yleensä useampaa toimintaperiaatetta yhtä aikaa.
4.2 Hulevesien muodostumisen vähentäminen
4.2.1 Läpäisemättömän pinnan minimointi
Huleveden syntymistä voidaan vähentää minimoimalla läpäisemättömän pinnan määrä, säilyttämällä maaperän luonnolliset imeytymisominaisuudet, sekä alavat maastonkohdat ja painanteet (Vakkilainen et ai. 2005). Luonnollinen kasvillisuus käyttää vettä ja vähentää siten myös hulevesiä. Läpäisevät päällysteet ovat
