Hulevesirakenteiden eroosiosuojaukset ja niiden suunnittelun kehittäminen

Abstract

Kaupunkiympäristöön kertyy hulevesiä maanpinnalle tai muille pinnoille, esimerkiksi katoille. Hulevesirakenteet, kuten avo-ojat, purot ja altaat hallitsevat hulevesiä määrällisin ja laadullisin keinoin ylläpitämällä rakennetun ympäristön hydrologista kiertoa, ehkäisemällä kaupunkitulvia ja parantamalla huleveden laatua. Hulevesien virtaus voi aiheuttaa maassa vesieroosiota, mikä voi aiheuttaa luiskien syöpymiä ja sortumia sekä heikentää veden laatua. Maaperää voidaan suojata veden kuluttavalta vaikutukselta eroosiosuojauksen avulla. Eroosiosuojauksena voidaan käyttää erilaisia ratkaisuja, kuten kasvillisuutta, kiviverhouksia, betonirakenteita tai geosynteettisiä eroosiosuojaustuotteita. Erityisesti luonnonkuiduista valmistetut tuotteet ja luonnontilaa säilyttävät ratkaisut edistävät luonnonmukaista vesirakentamista, mikä parantaa kaupunkiympäristön ekologista kestävyyttä ja edistää samalla ympäristön virkistyskäyttöä. Eroosioherkissä kohteissa joudutaan kuitenkin usein turvautumaan kiviverhouksiin tai betonirakenteisiin, jotka ovat eroosionhallinnan kannalta tehokkaimpia menetelmiä.

Työn tavoitteena oli selvittää, miten vesieroosio vaikuttaa hulevesirakenteisiin ja miten hulevesirakenteiden eroosiosuojausten suunnittelua voidaan kehittää. Työn tutkimusmenetelmiä olivat kirjallisuustutkimus, haastattelututkimus ja tapaustutkimus. Työssä kartoitettiin hulevesirakenteiden eroosiosuojausten suunnittelun nykytilaa ja laadittiin suunnitteluun liittyvien haasteiden pohjalta ohjeistusta ja tyyppikuvia perussuunnittelun tueksi.

Vesieroosio näkyy hulevesirakenteissa avouomien ja hulevesialtaiden luiskien sekä hulevesirumpujen päiden syöpymisenä, irtonaisen maa- tai kiviaineksen kulkeutumisena huleveden mukana, huleveden samentumisena sekä hulevesijärjestelmien toimivuuden heikkenemisenä. Ilmastonmuutoksen vaikutuksesta sademäärät kasvavat ja sadetapahtumat voimistuvat Suomessa, mikä lisää vesieroosiota tulevaisuudessa. Yleisimpiä hulevesirakenteissa käytettäviä eroosiosuojausmenetelmiä ovat kivirakenteiset ja geosynteettiset eroosiosuojausratkaisut, joiden tueksi usein istutetaan kasvillisuutta tehostamaan eroosiosuojausta. Eroosiosuojauksen suunnittelussa on otettava huomioon useita tekijöitä, kuten hulevesirakenteen virtaus- ja maaperäolosuhteet, alueen ilmastotekijät, kasvillisuuden määrä sekä luiskakaltevuus. Suunnittelu perustuu rakenteen toimivuuden, kustannusten, luontoarvojen ja kunnossapidettävyyden yhteensovittamiseen kohteen ympäristön rajoitteet huomioiden. Eroosiosuojaukset sijoitetaan pääosin eroosion kannalta kriittisiin kohtiin, kuten uoman ulkokaarteisiin ja purkupisteisiin.

Haastattelujen perusteella keskeiset haasteet hulevesirakenteiden eroosiosuojauksen suunnittelussa ovat puutteellinen ohjeistus muun muassa mitoituksesta, eri vaihtoehdoista ja kunnossapidosta sekä epäyhtenäisyys asiantuntijoiden käytännöissä. Tutkimuksessa tunnistettiin puutteita erityisesti eroosiosuojauksen tarpeen ja laajuuden määrittelyssä sekä mitoitusperusteiden määrityksessä, kivirakenteisten eroosiosuojausmenetelmien mitoituksessa sekä purkuvesistön herkkyyden huomioimisessa. Jotta hulevesirakenteiden eroosiosuojauksista saadaan mahdollisimman toimivia ja kustannustehokkaita, on oltava yhtenäiset käytännöt suunnittelussa, rakentamisessa ja kunnossapidossa. Eroosiosuojaus suunnitellaan aina kohdekohtaisesti, mutta kansallinen ohjeistus hulevesirakenteiden eroosiosuojauksiin liittyen yhtenäistäisi ja tehostaisi suunnittelukäytäntöjä.

In urban environments, stormwater accumulates on the ground or on other surfaces such as roofs. Stormwater structures, such as open diches, streams, and basins, control stormwater through quantitative and qualitative ways by maintaining the hydrological cycle of the built environment, preventing urban flooding, and improving stormwater quality. Stormwater flow can cause soil erosion, leading to gully formation and slope failure, as well as deterioration of water quality. Topsoil can be protected from the erosive effects of water through erosion control. Various solutions can be used for erosion control, including vegetation, riprap, concrete erosion control systems, or geosynthetics. Erosion control products made from natural fiber and solutions that preserve natural conditions promote nature-based water management, which enhances the ecological sustainability of urban environments while also supporting recreational use. However, in areas prone to water erosion, it is often necessary to use ripraps or concrete erosion control systems, which are considered the most effective methods from the perspective of erosion control.

The aim of this work was to examine how water erosion affects stormwater structures and how the design of erosion control methods can be improved. The research methods used in the work included a literature review, interviews, and a case study. The current state of erosion control design for stormwater structures was assessed, and based on the challenges related to the design, guidelines and drawings were prepared to support the basic design.

Water erosion can be seen in stormwater structures as erosion of the slopes of open channels and stormwater basins as well as stormwater pipe outlets, the transport of loose soil or rock material with stormwater, increased turbidity of stormwater, and reduced functionality of stormwater systems. As a result of climate change, precipitation is increasing and rainfall events are intensifying in Finland, which will increase water erosion in the soil in the future. The most used erosion control methods in stormwater structures are rock-based and geosynthetic erosion control solutions, which are often supplemented with vegetation to enhance erosion protection. In the design of erosion control, various factors must be considered, such as the water flow and soil conditions, regional climatic factors, the amount of vegetation, and slope steepness. The design is based on reconciling the functionality of the structure, costs, natural values, and maintainability while considering the environmental constraints of the site. Erosion control is mainly placed in areas critical for erosion, such as outer bends of channels and discharge points.

Based on the interviews, the key challenges in designing erosion control for stormwater structures are insufficient guidance, especially regarding dimensioning, different methods, and maintenance, as well as inconsistent practices among experts. The study identified shortcomings in recognizing the need and extent of erosion control, determining the basis for dimensioning riprap solutions, and considering the sensitivity of the receiving water body. To make erosion control for stormwater structures as effective and cost-efficient as possible, consistent practices in design, construction, and maintenance are necessary. Erosion control is always designed based on site-specific conditions, but national guidance on erosion control for stormwater structures would standardize and enhance design practices.