Putkikaivon rakenteen simulointi yksilöi Bangladeshin arseeniongelman syyt

Tausta

Arseenipitoisiin sedimentteihin rakennettujen putkikaivojen vesi on todettu alueittain arseenipitoiseksi.  Erityisen haitallinen tilanne on muodostunut kymmenessä Himalajan ympärysvaltiossa, joissa putkikaivojen osuus vesihuollossa on erityisen suuri. Bangladesh on ongelman suhteen valtioista pahin, koska se sijaitsee kokonaisuudessaan kilometrien paksuisen ja arseenipitoisen suistosedimentin päällä, josta vettä nostetaan putkikaivojen käsipumpuilla.

Kyseisellä alueella alkoi 1990 luvulla esiintymään enenevästi erilaisia iho ja muita syöpäsairauksia. Aikaisemmin ko. sairauksia ei ole esiintynyt. Eräs intialainen professori teki havainnon, että sairastuminen johtuu putkikaivojen veden ylisuurista arseenipitoisuuksista. Häntä ei aluksi uskottu. Nykyisin hänen tekemästään päättelystään ei ole mitään epäilystä. Alueella, maailmanpankin ja UNICEF:in rahoittamista  käsikäyttöisistä putkikaivoista, saadussa vedessä todellakin on tappavan vaarallisia määriä arseenia. Arseenipitoisen vedenkäytön ja kuolemien välillä on tutkimuksin osoitettu voimakas ja kiistaton positiivinen riippuvuus.

Bangladeshissa on tilastoitu arseenipitoisuuden hylkäysrajan ylittäviä putkikaivoja noin 30% ja ne ovat maalattu punaiseksi vaaran ja käyttökiellon merkiksi.

Maailman terveysjärjestö on määritellyt arseenipitoisen putkikaivojen veden syyksi kaikkien aikojen suurimpaan massamyrkytykseen. Jopa 100 miljoonan ihmisen henki on vaarassa. Ympäristö- ja kansalaisjärjestöille on uskoteltu tutkimatta myrkytyksen aiheuttajaksi luontaiset geokemialliset prosessit.

Arseenipitoisuuden alkuperäksi on kaksi mahdollisuutta eli kulttuuriperäinen tai ei kulttuuriperäinen. Ei ole tavanomaista, että luonto itse olisi myrkyttänyt pohjavettä systemaattisesti, vaan päinvastoin luontaista pohjavettä pidetään maailmanlaajuisesti funktionaalisena ja tavoiteltavana ravitsemuksessamme. 

Onko myrkytyksen alkuperä luontaista vai ihmisen aiheuttamaa, ei ole kyetty tieteellisillä tutkimuksilla yksilöimään. On vain olettamuksia luontaisuudesta. Olettamuksia siitä, mitkä tekijät mahdollisesti aiheuttavat pohjavesikerrostuman pelkistymistä, joka laukaisee sedimenttiin sitoutuneen arsenaatin arseniitiksi, aiheuttaen kaivovesiin tappavan korkean arseenipitoisuuden. Mahdollisiksi hapen kuluttajiksi ja pelkistäjiksi on esitetty luontaista orgaanista ainesta. Kulttuuriperäistä putkikaivojen hiiliteräsrakenteen happea kuluttavaa, pelkistävää vaikututusta ja tuhoisuutta ei ole ymmärretty eikä huomioitu. Ei ole myöskään tutkittua tilastoitua tietoa siitä, mikä on alkuperäisen pohjaveden hapetuksen tila ja arseenipitoisuus ilman hiiliterästä ja kulttuurivaikutusta.  Ennen hiiliteräs- putkikaivojen rakennusbuumia matalissa kivirakenteisissa pohjavesikaivoissa ko. alueella ei ole havaittu arseenimyrkytystä. 

Olettamus

Kulttuuriperäiset tekijät kuten itse putkikaivon rakenne- ja ympäristön rasitusvaikutukset on jäänyt kokonaan selvittämättä. Putkikaivojen rakenteissa ja rakennusohjeissa annetaan hyväksyntä hiiliteräsmateriaalin käytölle, joka aiheuttaa systemaattisesti rakenteellisen hapenkulutuksen ja metallisen päästön. Hapenkulutus ja vaikutukset kohdentuvat syvään vedenottopisteeseen ja sen lähisuojavyöhykkeeseen. Ilmiöstä seuraa pohjavesikerrostumaan pelkistynyt vyöhyke, joka on ehto arsenaatin (AsV)muuntumiseksi sedimentissä liikuntakykyiseksi arseniitiksi (AsIII). Vaikutussyvyydestä johtuen korvaavan ja elvyttävän hapen pääsy on pilaantumisvyöhykkeelle estynyt. 

Väestön ja putkikaivojen tiheyden kasvaessa pohjavesikerrostuman hapettavuuden kestävyyden sietorajat ylittyvät ja putkikaivo aiheuttaa laajoja yhtenäisiä syviä pilaantumisvyöhykkeitä, joilla arseeniongelma sairauksineen laajenee ja voimistuu päivä päivältä. Pilaantumisen ja muuntumisen tekijänä tiheä putkikaivoverkosto muodostaa arseenipitoisilla sedimenteillä käsin pumpatulla hidasvirtauksella olosuhteen, jossa on mahdollista muodostua prosessi, joka johtaa WHO määrittelemään väestön massamyrkytykseen. Tämä vakava ongelma ja sen vahingontorjunta edellyttää riskin haltuunottoa ja vaarallisten putkikaivojen markkinoilta poisvedon. Rakentaminen tulisi sallia vasta, kun putkikaivorakenteiden käyttöturvallisuus ja vaatimustenmukaisuus on asianmukaisesti testein ja ohjein varmistettu.

Onko pelkistävä hiiliteräsrakenne laukaissut, sedimenttiin arsenaattina sitoutuneen, mutta muuttuen rakenteen pelkistävästä vaikutuksesta mobilisoituvaksi arseniitiksi? Onko arseenin kulttuuriperäinen laukeaminen sedimentistä aiheuttanut kaivoveden arseenipitoisuuden monikertaisen raja-arvon ylittymisen?

Olettamus voidaan todentaa putkikaivon simuloinnilla

Olen kehittänyt pora- ja putkikaivoille soveltuvan simulointimallin ja tutkimusohjelman, jonka avulla voidaan todentaa faktavarmuudella onko putkikaivon veden arseenipitoisuuden syy luontainen vai ihmisen aiheuttama. Tämä on olennaista tietää etsittäessä kestävää ratkaisua ongelmaan. Varotoimenpiteenä vaarallisia kaivoja maalataan punaiseksi, jolloin estyy veden saanto. Järkevämpi on rakentaa kaivo, jota ei tarvitse maalata punaiseksi. On vaarallista todeta tutkimatta arseeniongelma luontaiseksi, koska se lamauttaa syytutkimuksen ja estää kaivorakenteen kehittämisen ja korjaamisen.  

Simuloinnin vaiheet

Ensimmäisessä vaiheessa kriteerit täyttävälle, neitseellistä pohjaveden tilaa edustavalle koealueelle rakennetaan pilaamaton ja muuttamaton putkikaivoryhmä ja mitataan veden arseenipitoisuus ja happikylläisyys. Toisessa vaiheessa kaivojen rakenne muutetaan happea kuluttavaksi ja pilaavaksi ja muuttavaksi hiiliteräsrakenteeksi ja mitataan veden arseenipitoisuus ja happikylläisyys. Kolmannessa vaiheessa kaivojen rakenne palautetaan pilaamattomaksi ja mitataan veden laadun elpyminen. Simuloinnin avulla voimme rajata pois tekijät eriteltynä, jotka eivät aiheuta suoraan eivätkä epäsuorasti veden arseenipitoisuutta. Toisaalta voimme nimetä eriteltynä ne tekijät jotka aiheuttavat suoraan tai epäsuorasti veteen arseenipitoisuutta. Simuloinnin toistoilla Bangladeshissa voimme todentaa, onko reaktiivinen hiiliteräs- putkikaivo ja sen aiheuttamat sähkökemialliset reaktiot ja vauriot syy arseenipitoiseen kaivoveteen.

Asko Vasarvuori
Porakaivokorjauksen asiantuntija
050-3503101
www.porakaivokorjaus.fi

 

Putkikaivojen elinkaari

Kehdosta hautaan

Putkitettu porakaivoprosessi alkaa materiaalien raaka-ainehankinnoista, louhimisesta ja energiankäytöstä. Materiaalien raaka- ainehankinnoilla tehdään mahdolliseksi valmistaa mm. porauskoneet, terät, kompressori ja porakaivossa tarvittavat putki- ja siivilä- sekä vesipumpputuotteet. Kaikki edellä esitetyt prosessit ja kuljetukset edellyttävät luonnonvarojen ja energian käyttöä.

Edelleen prosessin edetessä rakennetaan porakaivo, joka käsittää massiiviset maaporaus- ja kallioporausprosessit, jotka kuluttavat energiaa. Sivupäästöinä syntyy melua, pakokaasupäästöjä, poraussoijaa ja öljy- ja kivipölypäästöjä.

Porakaivoa käytettäessä veden/ energian hankintaprosessissa kuluu energiaa veden ja energian pumppaamiseen ja vesipaineen- sekä toimintakunnon ylläpitoon. Nykyisillä ainevalinnoilla ja työtavoilla porakaivosta tulee itsensä pilaava ja tämä edellyttää yleisesti veden suodatusta, jotta epävakaaksi muuttunut pohjavesi saadaan palautettua talousvesikelpoiseksi. Myös nämä toimenpiteet kuluttavat luonnonvaroja ja energiaa.

Ympäristötavoitteet

Porakaivoja rakennetaan siinä toivossa, jotta saataisiin kalliopohjavesi alkuperäisenä pohjavesilaatuna käyttöön hyvällä käyttövarmuudella vuosikymmeniksi eteenpäin ilman täsmällistä elinkaaren päätä. Nyt kuitenkin on käynyt niin, että porakaivojen hylkyprosentit ovat korkeita ja hylkykaivolla tavoite jää saavuttamatta ja koetaan pettymys. Investoinnin kustannus ja ympäristön rasitus toteutuvat, mutta käyttövesi ja sen hyödyt jää toteutumatta kokonaan tai tehollinen käyttöaika jää odotetta lyhemmäksi. 

Porakaivo hylättynä jää ympäristön rasitteeksi. Kaivo jää palauttamatta ilman asianmukaista menettelyä takaisin luontoon.

Porakaivoja käytetään kiihtyvällä tahdilla edullisemmaksi koetun energian ottoon pohjavedestä. Huomioimatta on jäänyt riskit, kokonaishaitat ja kustannukset. Pilaantumis- ja muuttumisriskit kohdistuvat tällöinkin kiinteistökohtaisesti tärkeään pohjavesialueeseen.

Tavoitteena tulisi olla kestävä kehitys. Hyvällä suunnittelulla saavutetaan materiaali- ja energiatehokkuus. Työputkimenetelmä tulisi ottaa käyttöön, jonka avulla säästetään materiaaleja, energiaa ja turvattaisi pohjavesi sekä veden että energian saanti. Nykyisten lämmönsiirtokemikaalien esiintyvyysriskit tulisi sulkea pois kiinteistökohtaiselta pohjavesialueelta tavalla tai toisella riittävällä varmuudella.  

Vaikutukset ja kehittäminen

Nykyisellään suomalaisen porakaivon ympäristö- materiaali ja energiatehokkuus on huono. Huonot tehokkuusluvut aiheutuvat osin siitä, että porakaivojen rakentaminen Suomessa on suunnittelematonta ja hallitsematonta.

Porakaivoja on avattu ja koekorjattu. Korjaustulokset osoittavat porakaivojen rakenteet yksin syypääksi veden huonoon laatuun. Ruostuvat hiiliteräsrakenteet aiheuttavat rakenteellista hapenkulutusta ja happikatoa sekä suoria ja epäsuoria raskasmetallipäästöjä. Sen sijaan tulokset osoittavat alkuperäisen kalliopohjaveden  erinomaiseksi.

Epävakaat kaivon hiiliteräsmateriaalit aiheuttavat sähkökemiallisen häiriötilan, jonka seurauksena aiheutuvat suorat ja epäsuorat päästöt. Häiriötilasta aiheutuu myös rakenteellinen hapenkulutus, jolloin pohjavesiympäristö pelkistyy. Pelkistyessä maametallit  mobilisoituvat hallitsemattomasti. Tila on vaarallinen siitä syystä, ettei näin muodostuneen epävakaan- ja epäsuoran  metallisen päästön vaarallisuus ole ennustettavissa eikä mitattavissa. Himalajan ympärysvaltioiden arseenipitoisissa sedimenttiolosuhteissa reaktiiviset putkikaivot pelkistävät ja mobilisoivat kaivoveteen maaperän arseenia. Nimenomaan käsipumppuiset, marginaalisesti virtaavat putkikaivot rikastavat arseenin vaarallisella tavalla. 

Paremmilla suunnitelmilla, porauspaikan- ja materiaalien valinnoilla, porausmenetelmillä sekä vedenoton hallinnalla saataisiin porakaivoilla parempi ympäristötehokkuus.

Ympäristönäkökulmasta massiivisten, vanhojen, päästävien ja hylättyjen porakaivojen korjaaminen vaatimukset täyttäviksi eli uudelleen käyttöönotto, olisi kestävää kehitystä parhaimmillaan.

Porakaivojen elinkaarivertailussa päästävät/ ei päästävät olisi ympäristön tehokkuuslaskentaan perehtyneelle asiantuntijalle hyödyllinen kohde arvioitavaksi?

 

Asko Vasarvuori
Porakaivokorjauksen asiantuntija
050-3503101
www.porakaivokorjaus.fi