Rahkaturvemaiden hydrauliset ominaisuudet

Tutkimuksessa selvitettiin maatumisen vaikutusta rahkaturpeen vedenjohtavuuteen vedellä kyllästyneenä ja
kyllästymättömänä sekä vedenpidätyskykyyn. Näillä on suuri merkitys turvemaiden kuivatuksen suunnittelussa.
Näytteet otettiin Akaassa sijaitsevalta rahkaturvepellolta, jonka kolme lohkoa oli ojitettu eri aikoina. Siten
samalta pellolta saatiin kolmea maatumisastetta: hyvin maatunut, keskinkertaisesti maatunut ja heikosti
maatunut turve. Näytteitä otettiin pinnasta, 31-40 cm ja 52-70 cm syvyydeltä. Laboratoriossa näytteistä
mitattiin kyllästynyt vedenjohtavuus, vedenpidätyskäyrä pF-lukuun 3 asti (1 bar) sekä fysikaalisia
ominaisuuksia, kuten vesipitoisuus luonnontilassa ja kyllästyneenä, tiheys, hehkutushäviö sekä huokoisuus.
Lisäksi 70 cm korkeiden turveprofiilien kuivumista seurattiin tensiometrien avulla.

Vedenpidätyskäyriin sovitettiin van Genuchtenin malli. Sen parametreja sekä mitattuja fysikaalisia
ominaisuuksia käyttäen mallinnettiin turpeen kuivumista yksiulotteisella numeerisella laskentamallilla. Malli
laski vedenjohtavuutta vesipitoisuuden suhteen ja veden liikkumista maaprofiilissa. Mallin tuloksia verrattiin
tensiometreillä mitattuun turveprofiilin kuivumiseen. Koska mallin tulokset vastasivat hyvin mitattua
kuivumista eri kerroksissa, saatiin vedellä kyllästymätön vedenjohtavuus mallin tuloksista.

Turpeen tiheys vaihteli hyvin maatuneen turpeen arvosta 399 kg/m3 heikosti maatuneen turpeen arvoon 99
kg/m3. Kyllästyneen turpeen vedenjohtavuuden mittaustuloksissa esiintyi suurta hajontaa sekä
rinnakkaisnäytteiden välillä että myös yksittäisen näytteen peräkkäisissä mittauksissa. Korkein
vedenjohtavuuden keskiarvo saatiin heikosti maatuneen turpeen pintakerrokselle (1,64 m/d) ja alin sen
pohjakerrokselle, 0,002 m/d. Heikosti maatuneen turpeen keskikerroksessa vedenjohtavuus oli 0,49 m/d.
Keskinkertaisesti maatuneen turpeen vedenjohtavuudet olivat pintakerroksessa 0,27 m/d, keskikerroksessa
0,31 m/d ja pohjakerroksessa 0,006 m/d. Hyvin maatuneessa turpeessa vedenjohtavuus oli pinnassa 0,14
m/d, keskikerroksessa 0,20 m/d ja pohjakerroksessa 0,12 m/d. Pinta-ja keskikerroksissa vedenjohtavuus aleni
maatumisasteen kasvaessa, mutta pohjakerroksessa se kasvoi maatumisasteen kasvaessa.

Mitä maatuneempi turve, sitä alhaisempi vesipitoisuus kyllästyneenä ja sitä enemmän vettä näytteessä oli jäljellä
1 barissa. Tämä todettiin kaikissa kerroksissa. Pintakerroksessa hyvin maatunut turve sisälsi
kyllästyskosteudessa 76 tilavuus-% vettä ja heikosti maatunut turve 86 tilavuus-%. 1 barin paineessa
vesipitoisuudet olivat 45 tilavuus-% ja 37 tilavuus-%. Van Genuchtenin vedenpidätyskäyrän malli saatiin
sovitettua mitattuihin käyriin erittäin hyvin, hyvyysluvut olivat jopa 99 %. Van Genuchtenin malli näyttää siis
sopivan myös eri tavoin maatuneelle rahkaturpeelle.

Van Genuchtenin mallilla laskettu vedellä kyllästymättömän turpeen vedenjohtavuus laski profiilissa alaspäin mentäessä. Tulosten mukaan vedenjohtavuus aleni selvästi heti turpeen alettua kuivua. Heikosti ja keskinkertaisesti maatuneen turpeen pintakerroksessa jo 1 cm imulla vedenjohtavuus putosi 11 prosenttiin kyllästyneestä vedenjohtavuudesta, keskikerroksessa 12–15 prosenttiin ja pohjakerroksessa 21–28 prosenttiin kyllästyneestä arvosta. Hyvin maatuneessa turpeessa 1 cm imulla johtavuus laski pinnassa 27 prosenttiin, keskikerroksessa 20 prosenttiin ja pohjakerroksessa 15 prosenttiin kyllästyneestä arvosta. 100 cm imulla vedenjohtavuus putosi pintakerroksessa kaikilla maatumisasteilla 0,001-0,39 prosenttiin, keskikerroksessa 0,02-0,32 prosenttiin ja pohjakerroksessa 0,09-0,37 prosenttiin kyllästyneestä arvosta. Tietyllä imulla paras johtavuus esiintyi kaikissa kerroksissa maatuneimmalla turpeella, koska sen vesipitoisuus oli hyvästä vedenpidätyskyvystä johtuen korkein. Alin johtavuus tietyllä imun arvolla esiintyi vähiten maatuneessa turpeessa.

———————————-

The goal of the study was to determine the effect of decomposition on hydraulic properties of Sphagnum peat. Samples were taken from a cultivated moss peat field in Akaa, SouthWest Finland. Three sections of the field were drained at different times, resulting in different decomposition stages (slightly, moderately and highly decomposed peat). Samples were taken from the surface layer and from the depths of 31-40 cm and 52-70 cm.

Saturated hydraulic conductivity, water retention curves up to tension of 1 bar and physical properties such as density, loss of ignition and porosity were determined in the laboratory. In addition 70 cm tall peat profiles were dried using hanging water column method. The drying was monitored using tensiometers. Van Genuchten’s model was applied to the measured water retention curves, and the drying of the profiles was modeled using a 3d numerical model. The parameters used in the model were obtained from the water retention curves and from the measured physical properties. The parameters were validated by comparing the modeled results to the measured ones, and it was found out that the model fitted very well with the measured tension values. Unsaturated hydraulic conductivity was then calculated using van Genuchten’s model and the parameters obtained from the measurements.

Density of the peat ranged from 399 kg/m3 (highly decomposed) to 99 kg/m3 (slightly decomposed). There was large variation in saturated hydraulic conductivity, both between replicas and also in results of single samples. The highest average conductivity (1.64 m/d) was found in surface layer of slightly decomposed peat. In depth of 31-40 cm the conductivity was 0.49 m/d and in depth of 52-70 cm it was 0.002 m/d. In moderately decomposed peat the conductivities were in the surface layer 0.27 m/d, in depth of 3140

cm 0.31 m/d and in depth of 52-70 cm the conductivity was 0.006 m/d. In highly decomposed peat the conductivity was in the surface layer 0.14 m/d, in depth of 31-40 cm 0.20 m/d and in depth of 52-70 cm the conductivity was 0.12 m/d. On surface layer and in depth of 31-40 cm conductivity decreased as decomposition increased, but in depth of 52-70 cm conductivity increased as decomposition increased.

As decomposition stage increased, the water content at saturation decreased and water content at 1 bar increased. This was the case in all the layers. In surface layer the highly decomposed peat had a volumetric water content of 76 % and slightly decomposed peat had a water content of 86 %. At pressure of one bar the water contents were 45 % for highly decomposed peat and 37 % for slightly decomposed peat. Van Genuchten’s model for the water retention curve fitted very well with the measured curves, and coefficients of determination were as high as 99 %. It seems that Van Genuchten’s model can be applied also for peat soil on different decomposition stages.

Unsaturated hydraulic conductivity decreased in lower layers of the soil. According to the results, conductivity decreased clearly as the peat started to dry. In surface layer of slightly and moderately decomposed peat, unsaturated hydraulic conductivity decreased to 11 per cent of the saturated value as suction increased to 1 cm. In depth of 31-40 conductivity decreased to 12-15 per cent of the saturated value and in depth of 52-70 cm it decreased to 21-28 per cent of the saturated value. In highly decomposed peat conductivity decreased insurface layer to 27 per cent, in depth of 31-40 cm to 20 per cent and in depth of 5-270 cm to 15 per cent of the saturated value as suction increased to 1 cm. When suction was 100 cm, conductivity dropped in surface layer to 0.001-0.39 per cent, in depth of 31-40cm to 0.02-0.32 per cent and in depth of 52-70 cm to 0.09-0.37per cent of saturated value in all decomposition stages.

On each suction, the highest conductivity was found in all layers in highly decomposed peat, because its water content was high due to high water retention capacity. The lowest conductivity on each suction was found in least decomposed peat.

Keywords: peatland, hydraulic conductitiy, van Genuchten