Viipymä

Veden viipymä eli viipymä tarkoittaa teoreettista aikaa, jonka kuluessa jonkin vesistösysteemin vesivarasto uusiutuu kertaalleen. Viipymä lasketaan tavallisesti jakamalla vesivaraston varastotilavuus sen läpivirtaamalla. Läpivirtaamalla tarkoitetaan yleensä joko tulovirtaamien eli tulojokien tai laskuvirtaamien eli laskujokien kuljettaman veden virtaamaa. Yleisimmät suureen soveltamiskohteet ovat järvet, joet ja jäätiköt.
Viipymän laskeminen ja ilmoittaminen.
Ulkoisten suureiden avulla.
Viipymän formula_1 laskennallinen suure määritellään tilavuudeltaan formula_2 olevalle vesistölle seuraavasti:
formula_3
missä formula_4 laskuvirtaama, formula_5 on haihdunta, formula_6 on valunta (eli tulovirtaama) ja formula_7 sadanta. Viipymät ilmoitetaan yleensä vuorokausina, kuukausina tai vuosina. Toinen tapa ilmaista viipymä on kertoa, montako kertaa järven vesi vaihtuu vuodessa. Ensimmäisessä kaavassa tilavuutta verrataan järvestä poistuvaan vesivirtaamaan, ja toisessa tulevaan vesivirtaamaan. Viipymän yhtälössä oletetaan, että varastoaltaan vesi sekoittuu esteettä, jolloin veden viipymä tarkoittaa varastoaltaan vesimolekyylien viipymisen tilastollista keskiarvoa. Oikeassa järvessä on kuitenkin lahtia ja matalikkoja, eri syvyyksiin kerrostunutta vettä ja kasvillisuuden eristämiä vesialueita. Järvenosien eri alueilla on erilaiset viipymät, joka tekee todellisuutta vastaavan viipymän laskemisesta vaikeaa.
Sisäisten ominaisuuksien huomioiminen.
Järvelle voidaan laskea viipymä tietylle järven osalle kuten esimerkiksi lahdelle, syvyyssuunnassa eri vesikerroksille tai tietylle syvänteelle. Nämä arvot antavat tarkemman kuvan järvenosien välisestä vedenkierron dynamiikasta.
Eri järvenosien viipymän luonne voidaan selvittää kahdella tavalla: kenttätyöllä tai matemaattisella mallinnuksella. Kenttätyössä kerätään esimerkiksi veneellä liikkuen mittausarvoja eri puolilta järveä sen eri syvyyksistä. Mittaukset voidaan myös järjestää veden alla kelluvilla poijuilla, jotka voivat samalla kulkeutua veden virtauksien mukana. Vanha käytäntö on ollut sekoittaa veteen nestemäinen merkkiaine, jonka leviämistä järveen seurataan. Merkkiaine voi olla jokin laboratorioissa kemiallisesti helposti havaittava aine tai esimerkiksi mittareilla helposti mitattava radioaktiivinen isotooppi. Matemaattisella mallinnuksella luodaan järvestä karttojen ja syvyysluotauksen avulla tietokonemallinnos, johon lisätään joitakin veden fysikaalisia ominaisuuksia simuloivia prosesseja. Esimerkiksi veden virtaukset, lämpötilakerrostuminen ja tuulen vaikutukset voidaan ottaa mallinnoksessa huomioon. Tarkemmissa tutkimuksissa sovelletaan käytännössä sekä kenttätyön tuloksia että mallinnoksen laskelmia yhtäaikaa.
Eri järvenosien viipymällä on se merkitys, että veden sisältämät ravinteet ja haitalliset aineet kulkeutvat virtaavan veden mukana. Ravinteet ylläpitävät elämää, joka kuollessaan alkaa kuluttamaan happea. Myös haitallisten aineiden vaikutusaika on riippuvainen järvenosan viipymästä.
Viipymäaikoja luonnon vesikierrossa.
Maapallon veden määrän on pitkällä aikavälillä ajateltu olevan vakio. Maapallon vesi kiertää jatkuvasti meren, ilmakehän ja mantereiden välillä. Vedenkierron jatkuva prosessi saa energiansa maan painovoimasta, maaperässä olevasta maalämmöstä ja auringon tuottamasta lämpösäteilystä. Vesikierron aiheuttamia ilmiöitä ovat esimerkiksi seuraavat havainnot: merestä haihtuu ilmakehään vesihöyryä, joka sataa takaisin meriin tai mantereen ylle. Mantereelle satanut vesi joko kerrostuu jäätiköiksi, haihtuu takaisin ilmaan vesihöyryksi, imeytyy maahan pohjavedeksi tai aloittaa pintavaluntansa kohti meriä. Pintavaluntana vesi joutuu virtavesijärjestelmiin, joissa vesi kulkeutuu virtavesien ja järvien kautta takaisin mereen. Maahan imeytynyt vesi voi palata pintavaluntaan tai painua pohjavetenä syvemmällekin. Erityisen reitin saa se vesi, joka joutuu mannerlaatan pohjavetenä alityöntöliikkeen takia syvälle maankuoren alle. Maankuoren alta vesi palaa takaisin ilmakehään tulivuorenpurkauksina.
Veden viipymä edellä kuvatuissa tilanteissa vaihtelee suuresti. Koko vesimäärä vaihtuu vesijärjestelmässä keskimäärin kerran noin 8 000 vuodessa. Suurin osa vedestä on merivettä (96,5 %), joka vaihtuu 3 000 vuodessa. Jäätiköillä keskimääräisen viipymän on laskettu olevan 8 300 vuotta ja pohjavedellä sen on arvioitu olevan 330–5 000 vuoden sisällä. Suomessa on havaittu maaperän pohjaveden vaihtuvan paljon nopeammin kuin kallioperän pohjaveden. Pintavalunnassa tilanne on hyvin erilainen. Virtavesissä veden viipymä on keskimäärin 14 vuorokautta, mutta suurissa järvissä jopa vuosia tai vuosisatoja. Ilmakehässä vesi viipyy 10 vuorokautta ja biosfäärissä 7 vuorokautta. Mannerjäätiköissä voi pinnalle satavan lumen viipymä olla kuukausia tai vuosia, mutta syvemmälle jäätikköön kerrostuneella lumella voi kestää satoja tuhansia vuosia päätyä takaisin mereen.