Kokeellinen tutkimus salaojaputkien vedennottokyvystä

Helsingin Teknillisessä korkeakoulussa suoritettiin syksyn 1977 ja kevään 1978 aikana kokeellinen tutkimus salaojaputkien vedenottokyvystä. Tutkimuksen pääsiallisena tarkoituksena oli pyrkiä mallikokeilla vertailemaan tiili- ja muoviputkien vedenottokykyä. Tutkimuksen alussa käsiteltiin virtausolosuhteita koskevaa teoriaa salaojaputkien välittömässä ympäristössä.

Veden virratessa salaojaputkiin muodostuu kokonaisvirtausvastus säteittäis- ja sisääntulovastuksen summasta. Veden säteittäinen virtaus putkiin on periaatteeltaan sama kuin veden säteittäinen virtaus kaivoon, missä lähtökohtana on Darcyn’laki. Lain avulla johdetusta yhtälöstä voidaan säteittäisvastuksen suuruus laskea, kun tunnetaan maan vedenjohtavuus, putken halkaisija sekä etäisyys salaojaputkesta. Kokonaisvirtausvastuksen muodostumisessa sisääntulovastuksen suuruuden selvittäminen on huomattavasti vaikeampaa, sillä se riippuu paitsi putken ominaisuuksista kuten putken halkaisijasta, sisääntuloaukkojen jakautumisesta ja pinta—alasta, myös putkia ympäröivän maan vedenjohtavuudesta. Tutkimuksessa on esitelty Engelundin kehittämä lauseke sisääntulovastuksen laskemiseksi putken ominaisuuksien perusteella. Tällä lausekkeella lasketut arvot antavat sisääntulovastukselle kuitenkin vain likimääräisen suuruuden, sillä siinä ei ole otettu huomioon suodattimen vaikutusta vastuksen suuruuteen. Useat tutkijat (mm. Cavelaars, Widmoser sekä Wesseling ja Homma) ovat todenneet, että suodattimen ansiosta sisääntulovastusta ei aina esiinny lainkaan.

Salaojaputkien vedenottokykyä varten suunniteltu 3 m pitkä mittausallas jaettiin kahdella väliseinällä kolmeen lokeroon (leveydet 0,2; 0,4 ja 0,4 m). Kapeimpaan osaan järjestettiin veden tulo sekä yhteys tasausaltaaseen, jonka avulla voitiin pitää vedenpinta erittäin tarkasti tietyllä tasolla (hajonta 0,5 mm). Tasausaltaan korkeutta muuttamalla pystyttiin myös säätämään altaan vedenpinnan korkeutta. Altaan leveimpiin lokeroihin asennettiin vastaavat muovi- ja tiiliputkikoot rinnakkain ja peitettiin 10 cm:n hiekkakerroksella, jonka rakeisuusalue oli pääasiassa 0,7 – 7 mm. Tiiliputket pyrittiin asentamaan altaan pohjalle siten, että saumarakojen suuruus oli alle 1,5 mm, salaojaputkista vesi johdettiin altaan päätyseinän läpi kolmiomittapatoihin, joista vedenpinnan korkeus luettiin sekä mittajaloilla että piirturilla. Mittapatojen kalibrointikäyristä saatiin vedenpinnan korkeuksia vastaavat virtaamat.

Kaikissa mittauksissa osoittautui muoviputken vedonottokyky selvästi tiiliputkea paremmaksi. Pienimmillään ero oli halkaisijaltaan 160 mm:n putkikoolla n. 1.6-kertainen ja suurimmillaan halkaisijaltaan 40 mm:n putkella n. 4.6-kertainen. Tämän Voidaan katsoa johtuvan siitä, että tiiliputkien sisääntuloaukkojen koko on huomattavasti muoviputkien reikäpinta-alaa pienempi. Kokeissa putken halkaisija ei ollut vedenottokykyä merkittävästi rajoittava tekijä, sillä putken täyttymisaste oli suoritetuissa kokeissa vähäinen.

Kokeiden toisessa osassa tutkittiin muoviputkien reikäpinta-alan pienentämisen vaikutusta vedenottokykyyn 4:llä pienimmällä putkikoolla. Halkaisijaltaan 40 mm:n aaltosalaojaputken vedenottokyky ei merkittävästi vähentynyt, vaikka reikäpinta-alaa pienennettiin n. 30 cm²/m-~410 cm²/m:iin. Sen sijaan halkaisijaltaan 50 mm: n muoviputken vedenottokyky kasvoi huomattavasti eli n. 28 %, kun reikäpinta-ala kasvoi 10 cm² /m – 20 cm²/m: iin. Halkaisijaltaan 65 ka 80 mm:n aaltosalaojaputkien vedenottokyky suureni erittäin selvästi reikäpinta-alan lisääntyessä 10 cm²/m – cm²/m:iin. Muoviputkien kyky reagoida reikäpinta-alan kasvuun riippuu kuitenkin putken täyttymisasteesta ja kokonaisvirtaaman ollessa putkeen suurempi kuin suoritetuissa kokeissa on reikäpinta-alan lisäyksellä pienempi vaikutusvirtaamiin.

Käytännössä ei muovi- ja tiiliputkien vedenottokyvyssä ole kovinkaan suuria eroja, silla normaalisti putkeen on päästävä vettä vain n. 0,062 l/sm (ojaetäisyys 16 m ja valuma 1 l/s/ha), ja 4O mm:n tiiliputken mitattu virtaama oli keskimäärin 0,007 l/sm. Suomessa valmistettujen muoviputkien reikäpinta-alat ovatkin huomattavasti ylimitoitetut, ja peltosalaojituksen aine- ja työselityksessä esitetyt vähimmäisvaatimukset muoviputkien reikien yhteispinta-alaksi metrin matkalla on tehtyjen kokeiden mukaan oikeat.

Korostettakoon lopuksi, että tämä tutkimus ei voi korvata kenttäkokeita, vaan salaojien toimintaa on pyrittävä tutkimaan myös koesalaojilla sekä Suomessa jo rakennettujen salaojien toiminnasta kerätyn aineiston perusteella. Suodatinmateriaalien suuren merkityksen takia on jatkossa niiden tutkimiseen kiinnitettävä entistä suurempi huomio.