Avaveeline märgala

Avaveeline märgala ehk vabaveeline märgala (ingl free water surface wetland või surface flow wetland) kujutab endast kõrgemate veetaimedega kaetud madalat tiiki ning sarnaneb välimuselt looduslike soodega. Avaveelised märgalad koosnevad vaba veega aladest, ujuvast taimestikust ja istutatud noortest taimedest. Sõltuvalt kohalikest määrustest ja pinnase tingimustest saab voolu ja infiltratsiooni kontrollida vallide ja tammide abil. Reovee voolamisel läbi märgala puhastatakse seda läbi settimise, filtreerimise, oksüdeerimise, redutseerimise, adsorbeerimise ja sadenemise. Levinuim kasutusala avaveelistele märgaladele on sekundaarne või tertsiaarne järelpuhastus.

Ajalugu

1973. aastal ehitati Martinezis Californias umbes 8,5 ha suurusele alale avaveelised märgala sood looduslikeks elupaikadeks ja heitvee ärajuhtimiseks. 1973. aastal ehitati esimene teadlikult projekteeritud tehismärgalapuhasti pilootsüsteem Põhja-Ameerikas Brookhaveni Rahvuslikus Laboratooriumis, mis asub New Yorgis Brookhavenis. Need süsteemid kombineerisid omavahel rabamärgala tiigiga ja luhaga järjestikku ja olid määratletud luht/soo/tiik puhastussüsteemina. Tööstuslike sadevete ja töötlusest pärit vete puhul rakendati tehismärgala/tiigi süsteemi 1975. aastal Põhja-Dakotas Amoco õlitööstuses. 1976. aastal Pinetopi ja Lakeside'i kogukondades ja 1977. aastal Show Low’s Arizonas loodi mitmeid tehismärgala/järv alasid heitvee aurustavaks kõrvaldamiseks ja eluslooduse mitmekesistamiseks.
Põhja-Ameerikal on rikkalik ajalugu ulatuslike avaveeliste tehismärgalade rajamises üle 20 aasta. Floridas on maailma suurimad tehismärgalad, sealhulgas ka Lakelandi ja Orlando tehismärgalad, mis mõlemad rajati 1987. aastal. Kummalgi märgalal on umbes 500 ha suurune ala olmereovee käitlemiseks. Floridasse on ehitatud 16 000 ha suurusele alale kuus tehismärgala, mida kasutatakse sadevee käitlemiseks. Nende eesmärgiks oli saavutada 50 µg/l fosfori eemaldamine heitveest ja viimane neist pandi tööle 2004. aastal. Hinnanguliselt peaksid need käitlema 30 aasta keskmise vooluhulgana 4 400 000 m³/d vett ja eemaldama umbes 80 tonni fosforit aastas.
Euroopa esimene avaveeline märgala ehitati 1967. aastal Hollandis Flevolandis. Märgala kavandatud sügavus oli 0,4 m ja kogupindala oli 1 ha. Saadaoleva maa optimaalseks kasutamiseks valiti tähekujuline kujundus, kuigi see raskendas makrofüütide koristust. Biomassi mehaanilise koristuse hõlbustamiseks ja süsteemi jätkusuutlikkuse tagamiseks lisati sinna pikikanalid.
1968. aastal loodi avaveeline tehismärgala Ungarisse Keszthely lähistele, et säilitada Balatoni järve vee kvaliteeti ja käidelda olmereovett. See tehismärgala rajati olemasolevale looduslikule märgalale.
Euroopas pole avaveeliste märgalade rajamine olnud nii laialdane kui Põhja-Ameerikas. Sellegi poolest on avaveelisi tehismärgalasid paljudes Euroopa riikides (Norras, Rootsis, Taanis, Poolas, Eestis ja Belgias).

Suuruse meetodite areng

Varased avaveelised märgalapuhastid olid tihti looduslikud märgalad, mis parandasid vee kvaliteeti. Kuna need ökosüsteemid olid juba olemas, polnud probleeme suuruse määramisega, vaid vee kogusega, mida sinna mahutada. Pidevavooluliste avaveeliste tehismärgalade suuruse kavandamine on ajalooliselt olnud peaaegu täielikult toimivuspõhine.

Kasutamine

Avaveelised märgalad sobivad kasutamiseks igas kliimas, ka põhjapoolsematel aladel. Külmas kliimas on hapnikku nõudvate protsesside toimimine vähem efektiivne. Jää tekkimine võib hüdrauliliselt takistada talvist kasutamist ja mõned protsessi tulemused on külmas vees madalamad, näiteks lämmastiku muundumise protsessid. Hõljuvainete eemaldamine on jää all hoopis efektiivsem kui suvel. Üldiselt on mõttekas talvel vett koguda ja puhastada seda soojal aastaajal.
Avaveelised märgalad on peaaegu ainuvõimalikud valikud linna, põllumajanduse, tööstuse sadevee puhastamiseks tänu oma võimele tulla toime muutuva vooluhulga ja veetasemega. Vähe kasutatakse avaveelisi märgalasid kaevandusvee, nõrgvee ja põhjavee kvaliteedi parandamiseks. 
Avaveelised märgalapuhastid on pinnasfiltersüsteemidest poole odavamad, aga patogeenide leviku ja sääskedega levivate haiguste tõttu ohtlikumad. Avaveelisi süsteeme tuleb poole harvem hooldada kui pinnasfiltersüsteeme. Sobiva asukoha valikul tuleb arvestada hüdrogeoloogilisi ja maastikulisi tingimusi. Sobivad hästi savikatel muldadel olevad rohumaad, mida enam ei kasutata, ning saviste põhjadega ammendatud freesturbaväljad.

Mõju aurustumisele

Taimestiku olemasolu pidurdab aurustumist avaveelistel märgaladel. See sõltub mitmest asjaolust, sealhulgas varjudest pinnal, suurenenud õhuniiskusest ja tuule vähenemisest pinna läheduses. Taimede transpiratsioon korvab aurustumise vähenemise veepinnalt, mistõttu suurte avaveeliste märgalade aurustumine on enam-vähem võrdne järvede aurumisega. Hooajalised muutused aurumises näitavad nii kiirguse kui taimestiku seaduspärasuste mõju. Hooajaline aurustumise muster sarnaneb sissetuleva kiirguse hooajalise mustriga.

Kavandamine

Avaveelise märgala kavandamise võib jagada kaheks: suuruse kalkuleerimine ja füüsikalised omadused. Suuruse määramiseks on vaja arvutusi sissetuleva vee, kohaliku ilmastiku ja puhastuse eesmärkide kohta.
Avaveelised märgalapuhastid kuuluvad tehnoloogia poolest ulatusliku maa-ala kategooriasse. Kinnisvara piirid ja topograafia võivad piirata märgalapuhasti võimalikku ulatust teatud veemahu kohta. Liiga järsud nõlvad võivad välistada või raskendada ehitust mingi piirini. Samuti ei pruugi maa omanikud olla huvitatud ehitusest või maa müümisest.
Märgala ehituse juurde kuuluvad pinnasetööd, jaotustorustik, taimestik, piire ja vajadusel hüdroisolatsioon. Märgala põhjale tuleb laotada 20–30 cm paksune mullakiht veetaimede kasvu parandamiseks.
Aastane vee-eelarve kujundab arusaama saasteainete vähenemisest ja vajaliku ala suurusest. Eeldades ühesugust veetaset, võib väljavoolu arvutada sissevoolu ja meteoroloogiliste andmete põhjal. Infiltratsiooniga tuleks arvestada lekete korral.

Pindala ja mahu määramine

Peamine ja kindel tehnika pindala määramiseks on kõnealuse piirkonna kohandamine kuni mingi kindla kriteeriumi saavutamiseni. Seda on lihtne teha arvutustabelite abil, mida saab järkjärguliselt ja käsitsi muuta. Võib kasutada ka automaatseid otsinguid. Süsteemide pindala määramisel tuleks lähtuda siseneva reovee orgaanilisest reostuskoormusest ja hüdraulilisest koormusest. Reovee soovituslik viibeaeg märgalas on umbes 15 ööpäeva. Külgede soovitav pikkuse ja laiuse suhe on 10:1 ning veesügavus 0,2–0,4 m.

Märgala veemaht ja vee kinnipidamise aeg

Avaveelise märgala jaoks on nominaalne vee kogus määratletud mahuna, mida piiritlevad basseini põhi, küljed ja veepind. Tegelik märgala kinnipidamise aeg määratletakse vooluga seotud veemahu ja vooluhulga suhte abil.

Kujundus ja paigutus

Pinnavooluga märgalade kujundamisel sõltub vooluteede arv topograafiast, alalhoidmisest ja liiasusest. Kõikidel tehismärgala süsteemidel võiks olla vähemalt kaks paralleelselt töötavat osa funktsionaalse paindlikkuse võimaldamiseks (osade puhkeolek, voolu muutmine või hooldamine). Kaks paralleelselt töötavat osa on väga vajalikud ootamatute juhtumite korral nagu taimestiku väljasuremine, eelpuhastuse rikked, struktuurilised rikked või ka järgneva märgala saastumine.
Märgala osade kujundamisel tuleks vältida väga väikest pikkuse-laiuse suhet, pimedaid nurki ja taimestamata lühikesi voolutee osasid. Ehituse ja töölepaneku ajal tuleks tähelepanu pöörata voolujaotuse taastamisele voolutee vahepunktides ja ühtsuse säilitamisele põhjas.
Pikkuse-laiuse suhe (kuvasuhe) on basseini kavandamisel oluline oma mõju tõttu voolu jaotusele ja lühikesele hüdraulilisele ringele. Kui vool on jaotatud efektiivselt, ei ole suure kuvasuhtega tehismärgala parema puhastusvõimega kui väikese kuvasuhtega märgala. Üheks alternatiiviks suurele kuvasuhtele on kasutada väiksemaid sisemisi jaotavaid astanguid, mis moodustavad lookleva voolutee.

Pinnaseteisaldus: tammid, astangud

Astangud kavandatakse hüdraulilistel ja geotehnilistel kaalutlustel. Nende eesmärgiks on reguleerida ja hoida vett kindlates vooluradades. Märgalast välja ulatuvad astangud on võimalikult väikesed, kuid tagavad siiski piisava hoiustamise ja vabaparda volitamata vabanenud voolu korral. Astangute puhul tuleb arvestada märgalas tekkiva mineraalse ja orgaanilise settega, mis suurendab voolutakistust ja vähendab vabaparrast süsteemi eluajal. Astanguid ehitades tuleks silmas pidada standardseid geotehnilisi kaalutlusi. Nende kavandamise ja ehitamise määravad ära saadaolevad materjalid. Pinna vooderdus või sisemine savikiht võib olla vajalik immitsemise vähendamiseks, kui astangu ehitamiseks kasutati liivaseid või muid läbilaskvaid materjale.
Nõlva kalle sõltub geotehnilistest kaalutlustest ja nõlva stabiilsuse analüüsidest. Minimaalne astangu kalle on tehismärgaladel tavaliselt 2:1 (horisontaalselt:vertikaalselt) ja kallakuid 10:1 või 20:1 kasutatakse siis, kui madalasse kaldaäärsesse alasse soovitaks luua mitmekesiseid elupaiku. 
Tamme kasutatakse peamiselt jalgsi liikumiseks või sõitmiseks. Sõidukiga juurdepääsuks peab tamm olema pealt rohkem kui 3 meetrit lai. 
Märgalade põhja ja astangute sisemuse võib teha tihendatud savist või bentoniidist. Kohapeal saadaolev savi on eelistatuim majanduslikel põhjustel. Asukoht valitakse tihti looduslikult vettpidavale alale. Tehislik vooderdus võib olla otstarbekas väiksemates märgalades, aga seda kasutatakse praktikas harva.

Vee juhtimise süsteemid

Vee märgalasse juhtimiseks, kindla veetaseme säilitamiseks ja märgalast vabaneva vee kogumiseks ja edasi suunamiseks on vaja erinevaid süsteeme. Reovett võib juhtida märgalapuhastisse mööda survestatud või isevoolulist torustikku või avatud kanali kaudu. Märgalakompleksi sissetulevad vooluhulgad võivad vajada voolu tasakaalustamist vooluteedel või täielikku sulgemist hooldustööde jaoks. Väikese voolu korral võib sel juhul piisata toru otsa üleskeeramisest. Suurte märgalade puhul võib vaja minna keerukaid puldiga juhitavaid väravaid. Vee jaotamissüsteeme on vaja, et kogu pindalale oleks tagatud ühtlane vee jaotumine. Otstarbekas oleks kasutada mitut sisendit märgalasse ning nende arv sõltub avaveelise märgala laiusest, soovitatav on rajada sisselasud iga 3–4 meetri järel. Märgalast vabaneva vee kogumise süsteem peaks võimaldama veetaset reguleerida ning soovituslik on väljavoole rajada rohkem kui üks.

Avaveelised märgalad Eestis

Tartu Ülikooli ökoloogia ja maateaduste instituudi geograafia osakonnas on välja töötatud GIS-il põhinev metoodika avaveelistele märgaladele sobiva koha leidmiseks. Selle metoodika järgi on Eestis avaveeliste märgalade rajamiseks väga sobivaid alasid 16% ja väga sobivaid ja sobivaid 25% kogu riigi pindalast. GIS-i analüüsi käigus selgus, et Eestis on 5412 km² potentsiaalselt sobivaid alasid avaveeliste märgalade jaoks. Analüüsi käigus jäeti kohe välja ebasobivad alad, nagu Natura 2000 võrgustik, kaitsealused alad, nitraaditundlikud alad, kaitse eesmärgil eraldatud spetsiaalalad, vääriselupaigad, planeeritavad kaitsealad, asustusega kaetud alad ja 200 meetri laiused puhvertsoonid veekogude kallastel.