Precipitation-induced runoff and leaching from milled peat mining mires by peat types : a comparative method for estimating the loading of water bodies during peat pruduction

Precipitation-induced runoff and leaching from milled peat mining mires by peat types: a comparative method for estimating the loading of water bodies during peat production. This research project in environmental geology has arisen out of an observed need to be able to predict more accurately the loading of watercourses with detrimental organic substances and nutrients from already existing and planned peat production areas, since the authorities capacity for insisting on such predictions covering the whole duration of peat production in connection with evaluations of environmental impact is at present highly limited. National and international decisions regarding monitoring of the condition of watercourses and their improvement and restoration require more sophisticated evaluation methods in order to be able to forecast watercourse loading and its environmental impacts at the stage of land-use planning and preparations for peat production.The present project thus set out from the premise that it would be possible on the basis of existing mire and peat data properties to construct estimates for the typical loading from production mires over the whole duration of their exploitation. Finland has some 10 million hectares of peatland, accounting for almost a third of its total area. Macroclimatic conditions have varied in the course of the Holocene growth and development of this peatland, and with them the habitats of the peat-forming plants. Temperatures and moisture conditions have played a significant role in determining the dominant species of mire plants growing there at any particular time, the resulting mire types and the accumulation and deposition of plant remains to form the peat. The above climatic, environmental and mire development factors, together with ditching, have contributed, and continue to contribute, to the existence of peat horizons that differ in their physical and chemical properties, leading to differences in material transport between peatlands in a natural state and mires that have been ditched or prepared for forestry and peat production. Watercourse loading from the ditching of mires or their use for peat production can have detrimental effects on river and lake environments and their recreational use, especially where oxygen-consuming organic solids and soluble organic substances and nutrients are concerned. It has not previously been possible, however, to estimate in advance the watercourse loading likely to arise from ditching and peat production on the basis of the characteristics of the peat in a mire, although earlier observations have indicated that watercourse loading from peat production can vary greatly and it has been suggested that differences in peat properties may be of significance in this. Sprinkling is used here in combination with simulations of conditions in a milled peat production area to determine the influence of the physical and chemical properties of milled peats in production mires on surface runoff into the drainage ditches and the concentrations of material in the runoff water. Sprinkling and extraction experiments were carried out on 25 samples of milled Carex (C) and Sphagnum (S) peat of humification grades H 2.5 8.5 with moisture content in the range 23.4 89% on commencement of the first sprinkling, which was followed by a second sprinkling 24 hours later. The water retention capacity of the peat was best, and surface runoff lowest, with Sphagnum and Carex peat samples of humification grades H 2.5 6 in the moisture content class 56 75%. On account of the hydrophobicity of dry peat, runoff increased in a fairly regular manner with drying of the sample from 55% to 24 30%. Runoff from the samples with an original moisture content over 55% increased by 63% in the second round of sprinkling relative to the first, as they had practically reached saturation point on the first occasion, while those with an original moisture content below 55% retained their high runoff in the second round, due to continued hydrophobicity. The well-humified samples (H 6.5 8.5) with a moisture content over 80% showed a low water retention capacity and high runoff in both rounds of sprinkling. Loading of the runoff water with suspended solids, total phosphorus and total nitrogen, and also the chemical oxygen demand (CODMn O2), varied greatly in the sprinkling experiment, depending on the peat type and degree of humification, but concentrations of the same substances in the two sprinklings were closely or moderately closely correlated and these correlations were significant. The concentrations of suspended solids in the runoff water observed in the simulations of a peat production area and the direct surface runoff from it into the drainage ditch system in response to rain (sprinkling intensity 1.27 mm/min) varied c. 60-fold between the degrees of humification in the case of the Carex peats and c. 150-fold for the Sphagnum peats, while chemical oxygen demand varied c. 30-fold and c. 50-fold, respectively, total phosphorus c. 60-fold and c. 66-fold, total nitrogen c. 65-fold and c. 195-fold and ammonium nitrogen c. 90-fold and c. 30-fold. The increases in concentrations in the runoff water were very closely correlated with increases in humification of the peat. The correlations of the concentrations measured in extraction experiments (48 h) with peat type and degree of humification corresponded to those observed in the sprinkler experiments. The resulting figures for the surface runoff from a peat production area into the drainage ditches simulated by means of sprinkling and material concentrations in the runoff water were combined with statistics on the mean extent of daily rainfall (0 67 mm) during the frost-free period of the year (May October) over an observation period of 30 years to yield typical annual loading figures (kg/ha) for suspended solids (SS), chemical oxygen demand of organic matter (CODmn O2), total phosphorus (tot. P) and total nitrogen (tot. N) entering the ditches with respect to milled Carex (C) and Sphagnum (S) peats of humification grades H 2.5 8.5. In order to calculate the loading of drainage ditches from a milled peat production mire with the aid of these annual comparative values (in kg/ha), information is required on the properties of the intended production mire and its peat. Once data are available on the area of the mire, its peat depth, peat types and their degrees of humification, dry matter content, calorific value and corresponding energy content, it is possible to produce mutually comparable estimates for individual mires with respect to the annual loading of the drainage ditch system and the surrounding watercourse for the whole service life of the production area, the duration of this service life, determinations of energy content and the amount of loading per unit of energy generated (kg/MWh). In the 8 mires in the Köyhäjoki basin, Central Ostrobothnia, taken as an example, the loading of suspended solids (SS) in the drainage ditch networks calculated on the basis of the typical values obtained here and existing mire and peat data and expressed per unit of energy generated varied between the mires and horizons in the range 0.9 16.5 kg/MWh. One of the aims of this work was to develop means of making better use of existing mire and peat data and the results of corings and other field investigations. In this respect combination of the typical loading values (kg/ha) obtained here for S, SC, CS and C peats and the various degrees of humification (H 2.5 8.5) with the above mire and peat data by means of a computer program for the acquisition and handling of such data would enable all the information currently available and that deposited in the system in the future to be used for defining watercourse loading estimates for mires and comparing them with the corresponding estimates of energy content. The intention behind this work has been to respond to the challenge facing the energy generation industry to find larger peat production areas that exert less loading on the environment and to that facing the environmental authorities to improve the means available for estimating watercourse loading from peat production and its environmental impacts in advance. The results conform well to the initial hypothesis and to the goals laid down for the research and should enable watercourse loading from existing and planned peat production to be evaluated better in the future and the resulting impacts to be taken into account when planning land use and energy generation. The advance loading information available in this way would be of value in the selection of individual peat production areas, the planning of their exploitation, the introduction of water protection measures and the planning of loading inspections, in order to achieve controlled peat production that pays due attention to environmental considerations.

Sateen synnyttämät pintavalumat ja ainehuuhtoumat jyrsinturvesuon eri turvelajeille: vertaileva menetelmä arvioida turvetuotannon aikaista vesistökuormitusta Ympäristögeologinen tutkimushanke on käynnistynyt havaitusta tarpeesta kyetä paremmin ennakoimaan jo olemassa olevan ja suunnitellun turvetuotannon aiheuttama haitallinen orgaanisen aineksen ja ravinteiden synnyttämä vesistökuormitus. Ympäristöviranomaisten mahdollisuudet edellyttää ympäristövaikutusselvityksissä jo ennakkoon arvioitavaksi turvetuotannon vesistökuormituksen määriä ja niiden ajallista kohdentumista suon tuotannonkestoisena aikana ovat olleet vähäiset. Tutkimushankeen tavoitteet kohdistuivat siihen, että jo tiedossa olevien ja turvevarainventoinnilla saatavien suo- ja turveominaisuustietojen; mm turvelaji ja maatuneisuusaste, perusteella olisi mahdollista jo ennalta laatia turvetuotantosoille vertailukelpoiset tuotannonkestoiset arviot niiden tyypillisistä ainehuuhtoumista. Suo- ja turvetietojen hyväksikäyttö yhdessä tutkimuksessa saatujen tulosten, tyypillisten sarkaojastoon kohdistuvien ainehuuhtoumamäärien sekä energiasisältötietojen kanssa, on edellyttänyt tutkimuksessa myös atk- sovellusten laatimista, joiden avulla voidaan kaikista tutkituista soista (mm. GTK:n tutkimat n. 13000 suota) laatia suo- ja kerroskohtaiset ainekuormitusarviot. Ympäristöministeriö on osarahoittanut ja Länsi-Suomen ympäristökeskus valvonut tutkimushankkeen kenttä- ja laboratoriotyövaiheen. Helsingin yliopiston geologian laitokselta tutkimuksen valvojana on toiminut prof. Matti Eronen ja työn edistymistä on edesauttanut geologian laitoksen esimiehen prof. Juha Karhun ohjaus. Suot (n. 10 milj. ha) peittävät lähes 1/3 osaa Suomen pinta-alasta. Soiden holoseenin, n. 10 000 vuoden aikaisen kasvun ja kehityksen vaiheissa suurilmastolliset olosuhteet ja niiden mukana turvetta muodostavien kasvien kasvuolosuhteet ovat vaihdelleet. Lämpö- ja kosteusolosuhteilla on ollut merkitystä suokasvien tyypillisiin kulloinkin vallitseviin lajityyppeihin ja suotyyppeihin sekä edelleen turvetta muodostavien kasvienjäänteiden valikoivaan kertymisen ja kerrostumiseen. Edellä esitetyt ilmastolliset tekijät, soiden kasvu- ja ympäristötekijät sekä ojitustoiminta ovat vaikuttaneet ja vaikuttavat edelleen fysikaalisilta ja kemiallisilta ominaisuuksiltaan erilaisten turvekerrosten syntyyn ja olemassa oloon sekä sitä kautta luonnontilaisilta suoalueilta ja sekä ojitus- ja turvetuotantoalueilta syntyviin vaihteleviin ainehuuhtoumiin. Tutkimuksessa on jyrsinturvesuon tuotantokentän olosuhteita simuloivissa olosuhteissa selvitetty hallituissa ja vertailukelpoisissa olosuhteissa sadetuskokein turvetuotantosoiden jyrsinturpeiden fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien vaikutusta turvetuotantokentältä sarkaojiin kohdistuviin pintavalumiin ja valumien ainepitoisuuksiin. Sadetus- ja uuttokokeita tehtiin sara- (C) ja rahkaturpeiden (S) maatuneisuuksille H 2,5 - 8,5. Sadetuksia tehtiin eri kosteuksissa (23,4 - 89, %) oleville jyrsösturpeille ja kaikki näytteet sadetettiin uudelleen 24 h kuluttua, jolloin saatiin valuma ja ainepitoisuustietoja myös olosuhteille, jossa jo valmiiksi pintakosteat turpeet kohtaavat uudelleen sateen. Valumavesien kiintoainepitoisuus (KA), orgaanisen aineen hapenkulutuksen määrä (CODmnO2,), kokonaisfosfori- (tot. P) ja kokonaistyppipitoisuudet (tot. N) vaihtelivat tutkittavien näytteiden osalta runsaasti turvelajista ja maatuneisuudesta riippuen. Tuotantokenttään kohdistuneen yhtäläisen (intens. 1,27 mm/min) sadetuksen aikaansaamaa sarkaojaan tapahtuvaa välitöntä pintavalumaa simuloivissa kokeissa valumavesien kiintoaineen ainepitoisuudet vaihtelivat eri maatuneisuusasteessa (H2,5 -8,5) olevien saraturpeiden (C) osalta n. 60-kertaisesti ja rahkaturpeiden (S) osalta n. 150-kertaisesti, kemiallisen hapenkulutuksen määrän osalta (C) n. 30-kertaisesti ja (S) n. 50-kertaisesti, kokonaisfosforin osalta (C) n. 60-kertaisesti ja (S) n. 66-kertaisesti, kokonaistypen osalta (C) n. 65-kertaisesti ja (S) n. 195 -kertaisesti ja ammoniumtypen osalta (C) n. 90-kertaisesti ja (S) n. 30-kertaisesti. Pitoisuuksien kohoaminen valumavedessä korreloi voimakkaasti turpeiden maatuneisuusasteen kohoamisen kanssa. Tuotantosaran sarkaojaan kohdistuneiden sadetuksella simuloitujen pintavalumien, niiden ainepitoisuuksien ja keskimääräisesti (30 v. sadetilasto) esiintyvien vuosittaisen roudattoman kauden (kk 05-10) vuorokausisademäärien perusteella saatiin jyrsinturvesuon sara- (C) ja rahkaturpeiden (S) maatuneisuuksille H 2,5-8,5 tyypilliset vuotuiset keskenään vertailukelpoiset kiintoaineen, orgaanisen aineen kemiallisen hapenkulutuksen määrän, kokonaisfosforin ja kokonaistypen ainehuuhtoumamäärät (kg/ha) tuotantokentältä sarkaojastoon. Suon pinta-ala-, turvepaksuus-, turvelaji- ja maatuneisuustiedot sekä tiedot suon kuiva-ainemäärästä, lämpöarvosta ja niiden mukaisesta energiasisällöstä mahdollistavat tehdä koko suon hyödyntämisen ajalle vuositasolle kohdistetut kerroskohtaiset sarkaojaan ja vesistöön kohdistuvat suokohtaisesti vertailukelpoiset ainekuormitusarviot, arvion tuotannon kestosta, energiasisältömääritykset sekä esittää ainehuuhtoutumisen määrä suosta saatavaa energiamäärää kohden (kg/MWh). Tutkimuksen esimerkkivaluma-alueen soiden (8 kpl) sarkaojiin kohdistuvat kiintoainehuuhtoumat (kg/a) saatavaa energiayksikköä (MWh/a) kohden vaihtelivat soittain ja kerroksittain välillä 0,9 - 16,5 kg/MWh. Tutkimuksen tavoitteena on ollut vastata energiateollisuuden haasteeseen saada turvetuotantoon pinta-alaltaan enemmän mutta vähemmän kuormittavaa turvetuotantoalaa ja toisaalta ympäristöhallinnon haasteeseen, voida paremmin ennalta arvioida turvetuotannon vesistökuormituksia ja niistä aiheutuvia vesistövaikutuksia. Tutkimuksen tulokset ovat pääosin tutkimuksen hypoteesin ja asetettujen tavoitteiden mukaisia ja mahdollistavat jo olemassa olevan ja suunnitellun turvetuotannon vesistökuormituksen nykyistä paremman vertailevan arvioimisen ja seurauksena syntyvien vesistövaikutuksien huomioimisen jo ennalta maankäytön ja energiatalouden suunnitteluvaiheessa. Yksittäisten tuotantoalueiden valinnassa, hyödyntämisen suunnittelussa, vesiensuojelumenetelmien käyttöönotossa sekä kuormitustarkkailujen suunnittelussa tutkimustulosten mahdollistama ennakkotieto turvetuotantosuon kuormittavasta vaikutuksesta mahdollistaa ympäristönäkökohdat huomioivan hallitumman turvetuotannon.