Kaivannaisjätealueiden peittorakenteet – eroon menneen ajan myyteistä, kohti tarkoituksenmukaisia ratkaisuja

Peittorakenteisiin liittyy paljon mielikuvia ja virheellisiä käsityksiä. Epärealistisia odotuksia kohdistuu erityisesti peittojen kykyyn vähentää kaivannaisjätteeseen suotautuvan veden määrää. Hapen kulkeutumista voidaan pyrkiä estämään ymmärtämättä, mitkä tekijät hapen kulkeutumista oikeasti säätelevät. Peittoihin liittyviä myyttejä kannattaisi jo ryhtyä murtamaan, sillä virheelliset käsitykset edesauttavat väärien ratkaisujen käyttöönottoa.  

Vaikka tämä artikkeli keskittyykin myytteihin peitoista, on muistettava, että kaivannaisjätealueiden sulkemisen suunnittelu ei ole pelkkää peittosuunnittelua. Kaivannaisjätealueiden sulkemiseen kuuluvat myös esimerkiksi vesienhallinnan järjestelyt sekä maankäytön tarpeiden huomiointi. Kaivannaisjätealueen sulkemista ei pidä myöskään suunnitella irrallaan kaivannaisjätealueen toimintavaiheen suunnittelusta tai kaivosalueen muiden osien sulkemisen suunnittelusta.

Peittosuunnittelun keskeisiä käsitteitä

Yhteisymmärrys käsitteistä helpottaa aina keskustelua. Niinpä tässäkin kuvataan joitakin peittorakenteisiin liittyviä käsitteitä:

• Tavoite on tunnistettuun tarpeeseen perustuva yleisluontoinen pyrkimys, kuten happaman ja metallipitoisen valuman minimointi (”design objective”, INAP 2017). Tavoite puretaan usein pienempiin osiin olosuhteiden erityispiirteet huomioiden (”attributes”, INAP 2017).  
• Vaatimusmäärittely kohdentuu konkreettiseen toiminnalliseen tekijään, kuten peiton läpi suotautuvan veden määrä tai peiton läpi kulkeutuvan hapen määrä (”performance criteria”, INAP 2017). Esimerkiksi peitolle asetettava hapen kulkeutumisen raja-arvo voi olla vaatimusmäärittely. Vaatimusmäärittelyä asetettaessa tavoite on yleensä jo purettu osiin ja tiedetään, mitkä geokemialliset tekijät säätelevät haitta-aineiden liikkumista kyseisellä jätealueella vahvimmin.
• Kokoonpano on sellainen määrittely peittorakenteesta, jonka avulla peitto voidaan rakentaa (”configuration”, INAP 2017).

Myös kaivannaisjätteen BREF-asiakirjassa (EC 2018) käytetään erillisinä käsitteinä tavoitteita, vaatimusmäärittelyjä ja ominaisuuksia.  

Peiton kokoonpano ei ole peiton vaatimusmäärittely

Suomessa on melko yleistä, että peittorakenteen kokoonpano esitetään peiton vaatimusmäärittelynä. Kokoonpano voi olla vaikkapa seuraava: ”tiiviskerros 0,3 m moreenia (hydraulinen johtavuus <10⁻⁸ m/s) sekä yhdistetty suoja- ja kasvukerros 0,7 m moreenia”.

Peiton tiiviskerroksen hydraulisen johtavuuden (kuten <10⁻⁸ m/s) nimeäminen peiton vaatimukseksi on ehkä tyypillisin esimerkki tilanteesta, jossa peiton kokoonpanon osa esitetään peiton vaatimusmäärittelynä. Tällöin peiton vedenläpäisy saattaisi olla vaikkapa 90 mm/vuosi tai 350 mm/vuosi, riippuen peiton muista ominaisuuksista ja jätealueen muotoilusta. Samankin rikastushiekka-alueen eri osissa saman peiton vedenläpäisy voi olla erilainen, koska peiton alapuolinen kuivatusvaikutus vaihtelee. Lähellä patoalueita hydraulinen gradientti altaan vedenpinnan ja ympäröivän alueen vedenpinnan välillä on suuri. Rikastushiekka-alueen keskeltä etäisyys ympäristöön on pidempi, jolloin myös gradientti on loivempi ja veden virtaus rikastushiekassa hitaampaa.  

Tarkastellaanpa samaa asiaa hapen kulkeutumisen kannalta. Jos vaatimusmäärittelyksi asetettaisiin pelkästään tiiviskerroksen hydraulinen johtavuus, vaikkapa <10⁻⁸ m/s, peiton läpi kulkeutuvan hapen määrä olisi käytännöllisesti katsoen määrittelemättä. Ratkaisukokonaisuudesta riippuen happivuo voisi olla vaikkapa 3 mol/m²/vuosi tai 300 mol/m²/vuosi. Jos siis vaatimusmäärittelyn ja kokoonpanon käsitteet sekoitetaan, pahimmassa tapauksessa kaivannaisjätealueen sulkemisen jälkeinen kuorma ja ympäristövaikutukset voivat olla melkeinpä mitä hyvänsä.  

Vaatimusmäärittelyn ja kokoonpanon käsitteiden sekoittuminen liittynee kaivannaisjätteen hallinnan BREF-asiakirjan (EC 2018) huolimattomaan lukemiseen tai muutoin puutteelliseen asiaan perehtymiseen. BREF-asiakirjassa peiton paksuus ja tiiviskerroksen hydraulinen johtavuus mainitaan esimerkinomaisesti, tyypillisinä kokoonpanon osina heikosti vettäläpäisevälle tai vähäisen kaasunvaihdon peitolle. Monisatasivuisen BREF-asiakirjan lukeminen aloitetaan ehkä luvusta 5 eli valmiista BAT-päätelmistä. BAT-päätelmien tarkoitusperät avautuvat kuitenkin paremmin, jos tutustutaan edes jossain määrin myös muihin lukuihin. Asioiden hahmottamista helpottaa myös perehtyminen INAP:n julkaisuihin (esim. 2014, 2017), joihin myös BREF-asiakirja monilta osin nojaa.

BREF-asiakirjan sivuilta ja INAP:n peitto-oppaan (2017) sivuilta hahmottuu, että hydraulinen johtavuus on materiaali- tai kerrosominaisuus ja osa peittorakenteen kokoonpanoa. Vaatimusmäärittelyt puolestaan ovat toiminnallisia: esimerkiksi peiton vedenläpäisyn määritelmä voi olla X mm/vuosi, X % vuosisadannasta tai vedenläpäisyn reduktio X %. Hydraulinen johtavuus ei ole suorassa suhteessa vedenläpäisyyn, sillä vedenläpäisyyn vaikuttavia tekijöitä on useita. Kaasunvaihdon tyypillinen määre nykyaikaisessa peittosuunnittelussa on happivuo (moolia/m²/vuosi). Joissakin tapauksissa määre on asetettu myös prosentteina: kuinka paljon hapettuminen vähenee kaivannaisjätealueen peittämisen myötä.  

Ympäristölupaehdoissa esitetään yleensä peiton kokoonpano tai sen osia kokoonpanosta, kuten hydraulinen johtavuus. Tämä ei sinänsä ole ongelma, mikäli suunnittelu on alkanut asianmukaisesta vaatimusmäärittelystä eikä suunnittelussa ole oikaistu suoraan kokoonpanon määrittelyyn.  

Erilliset vaatimusmäärittelyt vedenläpäisylle ja kaasunvaihdolle  

Eräs sitkeä, mutta virheellinen myytti on, että peiton pieni vedenläpäisy tarkoittaisi myös pientä kaasunvaihtoa. Peittorakenteella voi kuitenkin olla samanaikaisesti äärimmäisen suuri vedenläpäisy ja äärimmäisen pieni kaasunvaihto. Sama hallintakeino ei siis aina tehoa molempiin. Vedenläpäisylle ja kaasunvaihdolle asetetaan aina erilliset vaatimusmäärittelyt. Usein vedenläpäisyn ja kaasunvaihdon hallinnan välillä on jopa jonkinasteinen ristiriita ja joudutaan valitsemaan, kumpi on lopputuloksen kannalta tärkeämpää.

Hydraulinen johtavuus vaikuttaa vedenläpäisyyn, mutta ei suoraviivaisesti. Täsmälleen sama peittorakenne voi toimia kahdessa erilaisessa paikassa eri tavalla. Jos peiton alapuolella oleva kaivannaisjäte tai erillinen kantava kerros johtaa hyvin vettä, peitto kuivuu enemmän kuin se kuivuisi heikosti vettä johtavan kaivannaisjätteen päällä. Peiton toimintaa ei siis voi tarkastella erillisenä asiana, vaan peittoa tarkastellaan aina osana profiilia, jossa ovat mukana peitto, kaivannaisjäte sekä näiden alapuoliset materiaalit.  

Profiilikokonaisuuden lisäksi peiton toimintaan vaikuttavat jätealueen pinnan muotoilu sekä peiton vesienjohtamisjärjestelyt. Peiton vedenläpäisevyys onkin kahden päätekijän summa: ohiohjaus sekä varasto- ja haihdutuskapasiteetti (INAP 2017). Ohiohjaus (”diversion”) tarkoittaa peiton kykyä poistaa vettä kaivannaisjätealueelta pintavaluntana. Varasto- ja haihdutuskapasiteetti (store & release”) tarkoittaa sitä, että sadantaa varastoituu peittorakenteen ylempään osaan mahdollistaen veden haihduntaa pidemmällä aikavälillä. Tämä vähentää peittorakenteen läpi imeytyvän veden kokonaismäärää.

Kaasunvaihdon tarkastelu keskittyy yleensä kuvaamaan happivuota eli hapen kulkeutumista peiton läpi. Happivuo voidaan johtaa matemaattisesti peiton vedelläkyllästysasteesta. Kuiva peitto ei juurikaan estä kaasunvaihtoa, vaikka se olisi rakennettu äärimmäisen tiiviistä moreenista tai jopa savesta. Kuivan tiiviskerroksen läpi kulkeutuvan hapen määrä voi olla monisatakertainen vedelläkyllästyneeseen tiiviskerrokseen verrattuna. Vedelläkyllästysasteena 100 % ei kuitenkaan yleensä ole realistinen tavoite, sillä pääsääntöisesti se edellyttää allasmaista jätealuerakennetta ja altaallakin täydellinen vedelläkyllästysaste voi olla paikoin haasteellista saavuttaa. Se ei välttämättä ole myöskään tavoittelemisen arvoinen: sulkemisvaiheessa pyritään mieluummin eroon vedellä kyllästyneen massan patoamisesta kuin edistämään sitä. Vähemmälläkin saavutetaan alhainen hapen kulkeutuminen. Tiiviskerroksen kosteana pysymistä voi edesauttaa yläpuolinen haihdunnalta suojaava ja vettä varastoiva kerros tai alapuolinen heikosti vettä läpäisevä materiaali. Esimerkiksi hienojakoisen rikastushiekan päällä peitto pysyy usein helposti kosteana. Vastaavasti karkea alapuolinen kerros toimii salaojituksena.

Kuten yllä todettiin, vedenläpäisyn ja kaasunvaihdon tavoitteet voivat olla joskus ristiriitaisia. Kun vedenläpäisyä minimoidaan äärimmilleen, peiton kuivumisriski kasvaa, jolloin myös hapen kulkeutumisen määrä voi kasvaa. Vastaavasti peiton kosteana pitäminen voi jossain määrin lisätä peiton läpi suotautuvan veden määrää. Tärkeää onki huomioida kaivannaisjätteen laadun lisäksi kaivannaisjätteen tila peittämisajankohtana: ovatko keskeiset haitta-aineet edelleen sitoutuneena sulfidimineraaleihin vai onko hapettuminen edennyt jo pitkälle, jolloin haitta-aineiden liikkuvuutta säätelee ensisijaisesti jokin muu tekijä kuin hapen saatavuus.

Muita myyttejä ja ristiriitaisia päämääriä

Eräs yleiseen ajatteluun juurtunut myytti on, että moreenipeiton läpi ei paljoakaan suotaudu vettä, mikäli hydraulinen johtavuus on alhainen ja tiiviskerroksen tiivistäminen on onnistunut. Kun tiiviiksi suunnitellun peiton todellinen vedenläpäisy mallinnetaan tai mitataan, tulos on monelle yllätys. Peittokeskusteluissa unohtuu helposti luonnollinen vertailukohta: luonnollisillakin tiiviillä mailla sadevettä imeytyy maaperään, joskaan ei samoissa määrin kuin hiekka- ja sora-alueilla.

Hienojakoisen rikastushiekan päällä tiiviinkin peiton merkitys vedenläpäisylle voi olla vähäinen, sillä rikastushiekkakerros itsessäänkin on jo melko tiivis. Mittavakin peittorakenne saattaa siis pienentää vedenläpäisyä vain muutamia prosentteja. Erityisesti laajoilla kaivannaisjätealueilla voi korostua veden ohiohjauksen vaikeus. Jotta kaltevuus on riittävä vesien johtamiseen, tarvitaan huomattava korkeusero esimerkiksi jätealueen keskustan ja reuna välillä. Vaihtoehtoisesti vesienjohtamiskanavat voivat olla toisesta päästään huomattavan syviä, jotta kaltevuutta saadaan riittävästi koko matkalle. Ilman tehokasta ohiohjausta vedenläpäisyn säätely voi olla vaikeaa. Pelkästään varasto- ja haihdutuskapasiteetin varassa toimiva peitto ei ole parhaimmillaan kosteassa ilmastossa. Vesi imeytyy enenevästi alaspäin, kun se ei muuallekaan pääse. On myös selvää, että liika nojaaminen varasto- ja haihdutuskapasiteettiin voi johtaa rakenteiden stabiliteettiongelmiin tai hallitsemattomiin ylivuotoihin.

Tiiviskerroksen asentaminen rikastushiekkaa vasten on usein haasteellista: saatetaan tarvita kantava kerros, jota vasten tiivistäminen voidaan suorittaa. Kantava kerros taas voi vaikuttaa tiiviskerrokseen kuivattavasti, jolloin hapen pääsy rikastushiekkaan lisääntyy. Tällöin korostuvat osatavoitteiden merkitys ja vaatimusmäärittelyjen huolellinen asettaminen. On oltava hyvä käsitys siitä, millaisia geokemiallisia tapahtumaketjuja pyritään välttämään tai edistämään.  

Peitot muuttuvat – olipa ne asennettu kuinka huolellisesti tahansa ja niiden materiaali kuinka erinomaista. Peiton rakenteeseen vaikuttavat lämpötilavaihtelut, routa, veden liike, kemialliset reaktiot, kasvien juuristo, pieneliöt, orgaanisen aineksen kertyminen ja maatuminen. Peitto pyrkii myös maannostumaan, jolloin ylimmästä kerroksesta poistuu aineita, jotka saostuvat alempana. Osa luonnollisista muutosprosesseista parantaa peiton ominaisuuksia, osa heikentää. Sekä peiton vedenläpäisy että vedelläkyllästysaste muuttuvat ajan myötä. Jopa keinotekoisia materiaaleja sisältävät peitot muuttuvat. Hyvässä toimintatavassa peiton toimintaa ei mallinneta optimaalisimmillaan vaan jonkin kriittisen tekijän osalta heikentyneenä. Valitettavasti tämä tulkitaan joskus aikomukseksi rakentaa huonosti. Tästä ei kuitenkaan ole kyse vaan varovaisuusperiaatteen noudattamisesta päätöksenteossa. Muuttumaton peitto on yksi niistä myyteistä, joista olisi jo aika päästää irti.  

Kun asiaan pureudutaan tarpeeksi syvälle, peittojen suorituskyvyssä on lopulta aina kyse ilmasto-olosuhteiden mukaisesta räätälöinnistä. Viime kädessä sadanta, haihdunta ja lämpötilat säätelevät sitä, kuinka paljon peiton läpi suotautuu vettä ja millaiseksi peiton vedelläkyllästysaste asettuu. Ilmastotekijät on tarkasteltava aina paikkakuntakohtaisesti, minkä takia myöskään peittosuositukset eivät ole yksiselitteisiä. Ilmaston merkitystä avataan mm. INAP:n (2017) peitto-ohjeessa.

Mitä tämä kaikki tarkoittaa käytännössä?

Vaatimusmäärittelyä edeltää riittävän seikkaperäinen tavoiteasettelu. Tässä vaiheessa huomioidaan kaivannaisjätteen lähtöominaisuuksien lisäksi kaivannaisjätteen tila jätealueen sulkemisvaiheessa. Mikäli sulfidipitoinen kaivannaisjäte päästään peittämään jokseenkin muuttumattomana, painopiste voi olla hapen kulkeutumisen rajoittamisessa. Mikäli kaivannaisjätteen rapautuminen ja hapettuminen ehtii edetä pitkälle ennen peittämistä, nousee yleensä veden läpäisyn sääteleminen keskeisempään rooliin.  

Peittorakenteelle asetetaan aina erilliset vaatimusmäärittelyt vedenläpäisylle ja kaasunvaihdolle. Vaatimusmäärittelyjen tulee olla sellaisessa muodossa, että niiden avulla voidaan arvioida kaivannaisjätealueen sulkemisen jälkeinen kuorma. Jos peittorakenteelle asetetaan tavoitteeksi vaikkapa vedenläpäisy 20 % vuosisadannasta ja happivuo 10 mol/m²/vuosi, pystytään kaivannaisjätealueelle mallintamaan sen peittämisen jälkeinen kuorma – olettaen että kaivannaisjätealueesta on riittävät tekniset tiedot ja itse jätemateriaali on kineettisesti testattu.

Peiton vaatimusmäärittelyn mukaisia kokoonpanoja voi olla useita, toisin sanoen saman vaatimusmäärittelyn mukainen peitto voidaan usein rakentaa useammalla eri tavalla. Peiton vaatimusmäärittely ja peiton kokoonpano kohtaavat mallintajan työpöydällä. Kokoonpanon mukainen rakenne kaivannaisjätealueen profiilin osana testataan yleensä maaperä-kasvillisuus-ilmastomallinnuksen (eli SPA-mallinnuksen) avulla. Osaavalla ja riittävän monialaisella työryhmällä on kokemusperäinen tuntuma siihen, miten vaatimusmäärittelyn mukainen peittorakenne on mahdollista rakentaa, paikalliset ilmasto-olosuhteet huomioiden. Vaatimusmäärittelyn ja kokoonpanon vastaavuutta voidaan myös varmentaa koerakenteilla kenttäolosuhteista. Kenttäkokeet tukevat myös malleja kalibrointiaineistona.  

Kannattaa myös muistaa, että jätealueiden sulkemisen keinovalikoima ei rajoitu peittorakenteen hienosäätöön, vaikka tämä artikkeli keskittyykin vain peiton vaatimusmäärittelyihin. Kaivannaisjätealueen sulkemista ei myöskään suunnitella irrallaan kaivosalueen muista osista tai irrallaan tuotantovaiheen suunnittelusta. Hyvä sulkemissuunnittelu edellyttää aina kokonaisvaltaista lähestymistapaa.

Viitteet

EC (European Commission) 2018. Best Available Techniques (BAT) Reference Document for the Management of Waste from Extractive Industries, in accordance with Directive 2006/21/EC. JRC Science for Policy Doument.

INAP (International Network for Acid Prevention) 2017. Global Cover System Design – Technical Guidance Document.

INAP (International Network for Acid Prevention) 2014. Global Acid Rock Drainage Guide.