Grupp 4. Virtausmittaus siivikoimalla sekä veden laadun mittaukset

Ympäristöalan kenttä- ja laboratoriotyöt -kurssiin kuuluvat kenttämittaukset aloitettiin tiistaina 18.9.2018. Sää oli kyseisenä päivänä aurinkoinen aamusta asti ja lämpömittari näytti aamulla +8 ℃, mutta mittausten aikana keli lämpeni selkeästi sekä alkoi tuulla. Olosuhteet olivat siis hyvät ensimmäiselle mittauskerralle emmekä siten vielä ainakaan saaneet huonoja kokemuksia. Viimeiseen mittauskertaan on kuitenkin vielä aikaa, joten luultavimmin joudumme suorittamaan kenttämittauksia myös huonommassa kelissä.

Kokoonnuimme Pieni-Valkeisen viereiselle kääntöpaikalle puoli yhdeksäksi. Anni ja Meeri saapuivat paikalle, kuitenkin hieman myöhässä sillä heidän reittinsä Puijon metsien kautta olikin sisältänyt pari ylimääräistä kilometriä. Aluksi kuuntelimme opettajamme Teemun yleisiä ohjeistuksia kenttämittauksiin liittyen, jonka jälkeen hän alkoi jakamaan ryhmille tarvittavia välineitä.


Lammen tulo- ja poistouoman virtaaman määrittäminen siivikoimalla

Kurssin ensimmäinen kenttämittauksemme oli määrittää Pieni-Valkeisen tulo- ja poistouomien virtaamat käyttämällä siivikkoa. Käyttämämme siivikko oli SEBA Mini Current Meter M1. Siivikointi perustuu virtaaman mittaamiseen erikohdissa uomaa ja siivikon pyörimien kierrosten määrän laskemiseen. Tarvitsimme tässä tehtävässä siivikon lisäksi vain ajanottoon soveltuvan välineen sekä rullamitan. Hyviä siivikointipaikan kriteereitä ovat:
  • uoman poikkileikkaus on säännöllinen ja helposti määritettävissä
  • uoma on suora
  • virtaus ja veden syvyys ovat tarpeeksi suuret
    • optimisyvyys mittaukselle on 2-3 m, mikä ei pienissä uomissa toteudu
  • poikkileikkausessa ei ole virtaukseen vaikuttavia tekijöitä esim. kasvillisuutta, oksia
SEBA Mini Current Meter M1
Mittauspaikkojen koordinaatit:
  • Pieni-Valkeisen poistouoma: 62,9290 °N, 27,6623 °E
  • Pieni-Valkeisen tulouoma: 62,9296 °N, 27,6588 °E
Siivikointipaikkojen sijainnit

Päätimme ensin määrittää virtaaman poistouomalle. Kävelimme poistouoman vierustaa etsien sopivaa mittauspaikkaa. Lopulta löysimme mieleisen mittauspaikan läheltä Pieni-Valkeista. Valitsemaamme kohtaan päädyimme, koska alempana poistouomassa vettä oli vähemmän ja siellä suoritettiin myös toisen ryhmän toimesta virtaaman mittausta käyttämällä V-patoa. Emme halunneet mitata virtaamaa V-padolta alajuoksulle päin, koska se olisi saattanut vaikuttaa saatujen mittaustulosten oikeellisuuteen. Muutenkin kyseinen mittauspaikka täytti mielestämme vaaditut kriteerit tarpeeksi hyvin. 


Pieni-Valkeisen poistouoman mittauspaikka

Ensiksi  siivosimme uoman mittauskohdasta sekä vähän yläjuoksun puolelta mm. lehdistä ja oksista, jotta ne eivät muuttaisi virtaamaa ja saisimme täten mahdollisimman todellisen kuvauksen. Seuraavaksi meidän tuli mitata ja määrittää mittauspaikkamme poikkileikkaus, jotta pystyimme laskemaan sen pinta-alan. Meidän tuli myös määrittää siivikointipaikat uomassa sekä etäisyyden että syvyyden suhteen. Jaoimme uoman kolmeen osaan, joista jokaisesta mittasimme siivikon pyörimisnopeuden. Siivikko tulee sijoittaa 2/3 etäisyydelle pohjasta suhteutettuna syvyyteen mittauskohdassa. Alla olevassa havaintokuvassa on esitettynä poistouoman poikkileikkaus mittauskohdassa. Siinä tulee ilmi mittauskohdat sekä mitattujen alueiden pinta-alat AutoCAD-piirrustusohjelmalla määritettynä.

Poistouoman poikkileikkaus alavirrasta päin Pikku-Valkeiseen katsottuna ja mittauskohdat ympyröillä merkittyinä

Meeri siivikointia suorittamassa

Laskimme jokaisessa mittauskohdassa siivikon pyörimien kierrosten lukumäärän 30 s aikana useamman kerran, jotta varmasti löysimme virtaussuunnan, jossa virtaus oli suurin ja siten todellisuutta parhaiten kuvaava. Saamamme kierrosmäärät 30 s aikana uoman mittauspisteissä vasemmasta reunasta luettuna ovat:

  1. 6 kierrosta, 6 kierrosta, 5,5 kierrosta    →   6 krt / 30 s = 0,2 krt/s
  2. 0,5 kierrosta, 0,5 kierrosta   →   0,5 krt / 30 s ≈ 0,0167 krt/s
  3. 0 kierrosta   → Ei virtaamaa 0 krt/s

Oikeanreunimmaisen mittauskohdan yläpuolella oli kanto, minkä seurauksena siinä kohdassa uomaa ei havaittu virtaamaa. Käyttämämme siivikon siiven hydraulinen nousu k = 0,2591 m ja siivikkovakio
D = 0,005.

V = k * n + D
V = virtausnopeus (m/s)
k = siiven hydraulinen nousu (m)
n = siiven kierrosmäärä (krt/s)
D = siivikkovakio

Q = V * A
Q = virtaama (m3/s)
V = virtausnopeus (m/s)
A = "siivikointi alueen poikkileikkauksen pinta-ala" (m)


Virtausnopeudet mittauspisteissä:

  1. V1 = 0,2591 m * 0,2 krt/s + 0,005 ≈ 0,0568 m/s
  2. V2= 0,2591 m * 0,0167 krt/s + 0,005 ≈ 0,0093 m/s
  3. V3 = 0,2591 m * 0 krt/s + 0,005 = 0,005 m/s

Virtaamat mittauspisteissä:
  1. Q1 = 0,0568 m/s * 0,0326 m2 ≈ 0,001 852 m3/s ≈ 1,85 l/s
  2. Q2 = 0,0093 m/s * 0,0294 m2 ≈ 0,000 273 m3/s ≈ 0,27 l/s
  3. Q3 = 0,005 m/s *  0,0166 m2 ≈ 0,000 083 m3/s ≈ 0,08 l/s

Pieni-Valkeisen poistouoman kokonaisvirtaama on Q = 2,2 l/s mitattuna meidän valitsemasta mittauskohdasta. Kokonaisvirtaama saadaan siis laskemalla yhteen mittauskohdista määritetyt virtaamat.

Seuraavaksi siirryimme suorittamaan virtauksen mittausta siivikoimalla Pieni-Valkeisen tulouomaan. Sopivan mittauspaikan löytäminen oli tässä uomassa vaikeaa, sillä emme tälläkään kertaa halunneet mittauspaikkaa hetei v-pato mittauksen alapuolelle. Ajattelimme myös, ettei yläjuoksulla virtaama välttämättä olisi niin suuri, koska valuma-alue pienee sitä mukaan mitä kauemmaksi yläjuoksulle mennään. Valuma-alueella tarkoitetaan siis aluetta, jonka kaikki vedet valuvat kyseiseen uoman kohtaan. Lähellä Pieni-Valkeista tulouoma oli hyvin leveä ja vesi virtasi mutkitellen uomassa.
Pieni-Valkeisen tulouoma mittauspaikalta lampea kohti

Pieni-Valkeisen tulouoma mittauspaikalta yläjuoksua kohti

Pieni-Valkeisen tulouoman mittauspaikka

Päädyimme lopulta yllä olevan kuvan mukaiseen mittauspaikkaan, jota pidimme löytämistämme vaihtoehdoista parhaimpana. Toimimme tässäkin uomassa samallalailla kuin poistouoman yhteydessä. Tulouoman kapeuden johdosta jaoimme sen vain kahteen osaan ja kyseisen kohdan poikkileikkaus mittauskohtineen on esitetty alla.


Tulouoman poikkileikkaus Pikku-Valkeisesta yläjuoksuun katsottuna ja mittauskohdat ympyröillä merkittyinä

Kuitenkin jo mitatessamme huomasimme, ettei syvyys ole tarpeeksi suuri siivikointia varten, mikä varmasti heijastui myös saamiimme tuloksiin. Jouduimme mm. nostamaan siivikkoa laskettua korkeutta ylemmäksi, jotta se mahtuisi pyörimään. Kuitenkin vain vasemman reunan mittauskohdassa siivikko oli kokonaan veden alla. Emme siis onnistuneet saamaan tulosta oikeassa reunassa olevasta mittauskohdasta tai uoman keskeltä. Mitatut kierrosmäärät eri kohdissa uomaa olivat:

  • 6 kierrosta, 4,5 kierrosta, 0,5 kierrosta   →   6 krt / 30 s = 0,2 krt/s (vasenreuna)
  • 0 kierrosta   →   Ei virtaamaa 0 krt/s (oikeareuna)

Virtausnopeudet mittauspisteissä:

  1. V1 = 0,2591 m * 0,2 krt/s + 0,005 ≈ 0,0568 m/s
  2. V2 = 0,2591 m * 0 krt/s + 0,005 = 0,005 m/s
Virtaamat mittauspisteissä:
  1. Q1 = 0,0568 m/s * 0,0166 m2 ≈ 0,000 943 m3/s ≈ 0,94 l/s
  2. Q2 = 0,005 m/s *  0,0077 m2 ≈ 0,000 039 m3/s ≈ 0,04 l/s
Kokonaisvirtaama Pieni-Valkeisen tulouomassa on siis Q = 0,98 l/s.

Potentiaalinen mittauspaikka Pieni-Valkeisen tulouomassa, jos vesi ei olisi ollut näin sameaa

Suoritettuamme mittauksemme tulouomassa lähdimme vielä kävelemään yläjuoksua kohti katsomaan, josko sieltä kuitenkin löytyisi sopivampi mittaupaikka. Olimme olleet nimittäin sen verran tehokkaita, että meillä oli vielä reilusti aikaa jäljellä tämän tehtävän suorittamiseen. Löysimme kohdan, jossa virtaama että syvyys olivat suuremmat, minkä perusteella se olisi ollut otollisempi paikka siivikoinnille. Kuitenkin vesi oli siinä kohdassa niin sameaa, ettei siivikko erottunut vedestä yläpuolella olevan kuvan mukaisesti. Tällöin emme olisi siis voineet laskea siivikon pyörähtämien kierrosten määrää. Samentumisen oli aiheuttanut yläjuoksulla tehty v-pato mittaus, jossa uomassa joudutaan kaivamaan.

Pieni-Valkeisen tulouoman virtaama oli siis 0,98 l/s ja poistouoman 2,2 l/s. 

Tietämättä aiempien vuosien tuloksia, voimme kuitenkin jo nyt sanoa, että virtaamat ovat keskivertoa pienemmät. Tämä johtuu siitä, että edeltänyt kesä on ollut hyvin lämmin sekä vähäsateinen. Lämpimien kelien vuoksi maaperän haihdunta on ollut suurempaa mikä kompensoi jo pientä sadannan määrää. Tulouoman virtaama kuuluu olla poistouoman virtaamaa pienempi, sillä vesistöön tulee vettä muualtakin mm. sadantana suoraan veden pintaan sekä valuntana muilta alueilta.

Saatuihin tuloksiin liittyy aina tietyn verran epävarmuutta, minkä takia onkin hyvä ymmärtää sitä aiheuttavat tekijät. Koska siivikon pyörähtämien kierrosten määrää ei laskettu laitteella, ei jokainen mittaus välttämättä ollut tasan 30 s kestoinen. Jouduimme myös pyöristämään kierrokset puolikkaisiin, mikä laski edelleen tuloskemme tarkkuutta. Myöskin siivikon oikean asennon valikointi suurimman virtaaman arvon saamiseksi suoritettiin käsivaralla, eivätkä saadut kierrosmäärät välttämättä ihan kuvaa todellisuutta. Uomien poikkileikkaukset ovat yksinkertaistetut, jolloin saadut pinta-alat eivät ole täsmällisesti oikeita.

Jos suorittaisimme siivikointitehtävän uudestaan, tekisimme joitakin asioita toisin. Tunneilla saaduissa ohjeistuksissa mainittiin, että mittaukset tulisi suorittaa uomassa samalta korkeudelta kaikissa pisteissä. Poikkileikkauksia tarkastellessa mittauspisteemme ovat kuitenkin suhteellisen samalla korkeudella. Senpä takia virhe saaduissa virtaamissa ei luultavimmin ole kovin suuri. Emme myöskään suorittaisi mittauksia yhtä aikaa samassa uomassa v-pato mittausta suorittavan ryhmän kanssa. Tämä antaisi suuremmat mahdollisuudet valita sopiva mittauskohta uomasta.


Lähteet:
Haapamaa, Jussi 2013. Nesteen virtausmenetelmät pienissä avouomissa:
http://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2013120520147

SYKE, Hydrologisen seurannan ryhmä 2017,  Hydrologisen seurannan kenttätöiden toimintakäsikirja versio 1.2. 


Veden laadun mittaukset kenttämittalaitteilla

Päivän toisena tehtävänä oli mitata veden ominaisuuksia kahdella eri mittalaitteella sekä havainnoida vesistöä. Mittasimme veden lämpötilan, pH:n, happipitoisuuden sekä sähkönjohtavuuden. Lisäksi kirjasimme ylös havaintomme lampien hajusta ja ulkonäöstä. Mittaukset suoritettiin kolmesta eri kohtaa: Pieni-Valkeisen tulo- ja poistouoman sekä Iso-Valkeisen tulouoman edustoilta. Mittauspaikat näkyvät alla olevasta kartasta.

Mittauspaikat kartalla kuvattuna

Mittauspaikkojen tarkat koordinaatit ovat:

  • Pieni-Valkeisen tulouoma: 62,9294 °N  27,6589 °E
  • Pieni-Valkeisen poistouoma: 62,9289 °N  27,6625 °E
  • Iso-Valkeisen tulouoma: 62,9288 °N  27,6656 °E

Mittalaitteina käytettiin kahta eri monitoimimittaria. Molemmat olivat Hach-merkkisiä HQD-laitteita. Ryhmältämme unohtui aivan täysin ottaa kuvat laitteista, mutta alla näkyvä netistä lainattu kuva näyttää, millaisesta laitteesta oli kyse. Molemmat laitteet olivat siis kuvan kaltaisia. Ainoa ero mittalaitteissa oli mittauselektrodit, jotka kaikki mittasivat eri ominaisuuksia.

Hach HQD-monitoimimittari

Toisen avulla mitattiin pH ja toinen laitteista mittasi veden happipitoisuuden sekä sähkönjohtavuuden. Molemmat mittasivat myös lämpötilan. Mittaukset tuli suorittaa tulo- ja poistouomien edustalta, lammen puolelta ja mahdollisimman keskeltä. Lammet olivat tästä kohti kuitenkin sen verran syviä, että kumisaappaat olisivat hörpänneet kunnolla vettä, jos olisi yrittänyt kahlata keskemmälle. Tästä syystä mittaukset suoritettiin melko rannasta, mutta kuitenkin selkeästi lammen puolelta. 

Halusimme mitata jokaisen mitattavan ominaisuuden kolme kertaa hieman eri kohdista, jotta tulokset olisivat luotettavampia. Laskimme jokaisesta kolmesta mittauksesta aina keskiarvon. Tulokset näkyvät alla olevassa taulukossa.



Pieni-Valkeinen on havaintomme mukaan tyypillinen lampi; uomien kohdalla vahva lammen tuoksu sekä tyypillistä lammen kasvillisuutta. Sen sijaan Iso-Valkeinen, ainakin tulouoman kohdalta tarkasteltuna, on puhtaampi lampi, jossa hajua ei juurikaan ole ja kasvillisuutta niukasti.


Pieni-Valkeisen tulouoman kohta

Pieni-Valkeisen poistouoman kohta

Iso-Valkeisen tulouoman kohta

Lämpötila oli alhaisin Pieni-Valkeisen tulouoman kohdalla ja vastaavasti korkein Iso-Valkeisen tulouoman kohdalla. Lämpötilaerot johtuvat lampien erisuuruisista vesimassoista. Iso-Valkeinen on huomattavasti isompi lampi kuin Pieni-Valkeinen, joten lämpötilä ei laske yhtä nopeasti isossa lammessa kuin pienessä. Lisäksi lampien veden lämpötila saattaa olla hieman aavistuksen lämpimämpää kuin tavallisesti tähän aikaan johtuen hellekesästä sekä lämpimästä alkusyksystä.

pH:ssa ei suuria eroavaisuuksia ole eri mittauspaikoissa. Molempien lampien vesi on siis aavistuksen hapanta, mikä on yleistä Suomen vesistöille. Lievä happamuus johtuu vesistön luontaisesta humuskuormituksesta. Jos mittaukset olisi suoritettu keväällä jäiden lähdön ja lumen sulamisen jälkeen, saattaisi pH olla hieman alhaisempi lumen happamuudesta (pH n. 4,5) johtuen. 

Veden happipitoisuudessakaan ei suuria eroja ole eri mittauspaikkojen välillä. Iso-Valkeisen puolella vesi näyttäisi sisältävän hieman vähemmän happea kuin Pieni-Valkeisella. Mitä happirikkaampaa vesi on, sitä enemmän happea on kasvien ja eliöstön käytössä. Mm. veden lämpötila ja mittausajankohta vaikuttavat veden happipitoisuuteen. Lämpimässä vedessä on vähemmän happea kuin kylmässä vedessä. Aamuisin taas vedessä on vähemmän happea, koska kasvit eivät tuota happea öisin. Tuloksista huomataan, että lämpimämmän Iso-Valkeisen vesi sisältää vähemmän happea kuin kylmemmän Pieni-Valkeisen vesi.

Veden johtokyvyn tuloksissa oli sen sijaan eroavaisuuksia. Alhaisin arvo mitattiin Pieni-Valkeisen poistouoman kohdalta ja korkein arvo Iso-Valkeiselta. Veden sähkönjohtavuudellahan tarkoitetaan sitä, kuinka paljon veteen on liuennut suoloja, eli mitä suurempi arvo on, sitä suolaisempaa vesi on. Veden suolaisuutta lisäävät mm. natrium, magnesium, kloridit ja sulfaatit. Tuloksista voidaan todeta, että kaikki arvot viittaavat alhaiseen johtokykyyn eli lampien vesissä esiintyy suoloja hyvin vähän. Iso-Valkeisen suurempi arvo saattaa johtua moottoritiestä, joka kulkee lammen lävitse; tien suolauksesta on saattanut joutua natriumia lampeen.


Veden laatua mittaamassa Pieni-Valkeisella

Kuten aina, mittauksissa ilmenee epävarmuuksia ja mahdollisia virhetekijöitä. Tässä tapauksessa mittaustuloksiin on saattanut vaikuttaa mittaaja, sillä ryhmän jäsenistä jokainen mittasi vuorollaan. Mittaukset jouduttiin suorittamaan melko rannasta, mikä on saattanut hieman vaikuttaa tuloksiin. Sääolosuhteilla on myös vaikutusta tuloksiin, mutta tällä kertaa olosuhteet oli hyvin suotuisat.

Lähteet:
Hyxo Oy. HQD-kannettavat mittarit:
https://hyxo.fi/products/fi/hqd_kannettavat_mittarit-p-33-710/

Peda.net. Veden laadusta kertovat mittaussuureet:
https://peda.net/oppimateriaalit/hankkeet/mit%C3%A4-sitten/mobiililaboratorio/teema1/mt

Vantaanjoen ja Helsingin seudun vesiensuojeluyhdistys ry. Veden laatu- veden fysikaalis-kemiallinen tila:
Ymparisto. fi. Vedenlaatuluokituksen raja-arvot ja lähteet:  file:///C:/Users/Omistaja/Downloads/Liite3-Vedenlaatu-selitys-raja-arvot%20(1).pdf




Comments