Vedenlaadun ja ravinnekuormituksen mallinnus- ja arviointijärjestelmä VEMALA

VEMALA

VEMALA-malli on operatiivinen, koko Suomen kattava ravinnekuormitusmalli vesistöille (Huttunen ym., lähetetty julkaistavaksi). Se simuloi ravinteiden prosesseja, huuhtoutumista ja kulkeutumista maalla, joissa ja järvissä. Malli simuloi ravinteiden kokonaiskuormaa vesistöihin, pidättymistä ja Suomen vesistöistä Itämereen lähtevää kuormaa. VEMALA koostuu pääosin kahdesta osamallista: hydrologiaa simuloivasta WSFS-mallista (Vehviläinen 1994) ja ravinneprosesseja simuloivasta VEMALA-mallista (Huttunen ym., lähetetty julkaistavaksi). Mallia on kehitetty vuosien kuluessa, ja tällä hetkellä neljä malliversiota on operatiivisessa käytössä. Malliversiot simuloivat eri ravinteita ja prosesseja (Taulukko 1 ja Kuva 1). Mallin peräkkäisten versioiden kehitys johtaa yhä prosessipohjaisempaan ravinnekuormitusmalliin.

VEMALAlla voi simuloida päivittäistä vedenlaatua Suomen joissa ja yli hehtaarin kokoisissa järvissä sekä tuottaa reaaliaikaisia tuloksia. Sillä pystyy myös analysoimaan eri kuormituslähteiden osuutta kokonais- tai biologisesti käyttökelpoisista ravinteista (Kuva 2) sekä biologisesti käyttökelpoisten ravinteiden osuutta mereen menevästä kuormituksesta. VEMALAlla voi simuloida erilaisten maatalous- ja ravinnekuormitusta vähentävien toimenpiteiden vaikutusta kokonais- tai biologisesti käyttökelpoisten ravinteiden kuormitukseen, mikä helpottaa vesipuitedirektiivin täytäntöönpanoa (Kuva 3). Lisäksi simuloinneissa voidaan huomioida ilmastonmuutoksen vaikutus. Myös reagoimattomien yhdisteiden kulkeutumista jokireiteissä voidaan simuloida esimerkiksi tahattoman vuodon seurauksena alajuoksuun päätyvän pitoisuuden arvioimiseksi.

Kuva 2. Eri kuormituslähteiden osuus Itämereen päätyvästä fosforikuormasta ilman suoraan mereen tulevaa laskeumaa.
 

Kuva 3. Nykyisten toimenpiteiden mukainen, realistinen ja tavoiteskenaario Suomen vesistöistä Itämereen päätyvästä fosforikuormasta.
 

VEMALA-N

VEMALA-N simuloi nitraatin (NO₃^-), orgaanisen typen (Norg) ja kokonaistypen (TN) huuhtoutumista ja kuormituksen muodostumista valuma-aluetasolla. Simulointiyksikkö on viljelykasvi- tai maankäyttöluokka, joita on yhteensä kuusi: viisi eri viljelykasviluokkaa ja yksi metsäluokka. Malli simuloi typen pääprosessien (mineralisaatio, nitrifikaatio, denitrifikaatio ja kasvien typenotto) riippuvuutta maaperän kosteudesta ja lämpötilasta. VEMALA-N-mallilla voidaan simuloida ilmastonmuutoksen, eri maankäyttömuotojen ja viljelykasvien sekä mineraalilannoituksen ja karjanlannan vaikutusta nitraatin huuhtoutumiseen ja siihen liittyviin reaktioihin.

Kuva 4. Käsitekaavio hydrologisesta mallista ja VEMALA-N-mallista.

VEMALA-ICECREAM 

Kuva 5. Fosforivirtojen simulointi ICECREAM-mallissa.

Prosessipohjainen ICECREAM-malli (esim. Jaakkola ym. 2012) simuloi maataloudesta tulevaa partikkeleihin sitoutuneen fosforin (PP) ja fosfaatin (PO₄^3-) kuormitusta sekä eroosiota peltomittakaavassa. Mallilla lasketaan erikseen jokaisen Suomen pellon fosforikuormitus. Simuloinnissa käytetään lähtötietoina pellon ominaisuuksia: maalajia (savi, hiesu, karkea tai turve), pellon kaltevuutta ja suorakulmion muotoisen peltolohkon kokoa. ICECREAMin simuloimia tuloksia (päivittäistä kokonaisfosforikuormaa) käytetään VEMALA-mallin syötteenä. Viljelytoimenpiteet, joita voidaan simuloida VEMALA-ICECREAMilla laskettavissa skenaarioissa, ovat

• Lannoitteen määrä, tyyppi (mineraalilannoite/lanta) ja lannoitussyvyys
• Yksivuotiset kasvit (myös syysviljat), perennat ja juurikasvit, 13 eri kasvilajia parametrisoitu
• Perinteinen muokkaus, suorakylvö
• Ajankohdat viljelytoimenpiteille
• Suojakaistat/suojavyöhykkeet
   

VEMALA v.3

VEMALA v.3 käyttää syötteenä muilla VEMALA-malleilla laskettua, maalta tulevaa kuormitusta; NO₃^- ja Norg tulevat VEMALA-N-mallista, PO₄^3-, PP ja Porg VEMALA-ICECREAM-mallista ja kokonaishiili (TOC) sekä kiintoaine (SS) VEMALAn 1.1-versiosta. Kasviplanktonin kasvua simuloidaan AQUAPHY-mallilla (Lancelot ym. 1991) ja ravinteiden kiertoa RIVE-mallin (Billen ym. 1994) yksinkertaistetulla versiolla. Biologisesti käyttökelpoiset ravinteet ovat yhteydessä toisiinsa kasviplanktonin muutosten, orgaanisen aineen hajoamisen ja sedimentaation kautta. VEMALA v.3 -versiolla voidaan simuloida kokonais- ja biologisesti käyttökelpoisten ravinteiden (NO₃^- and PO₄^3-) kuormaa mereen eri kuormituslähteisiin jaoteltuna. Viljelytoimenpiteiden, kuormitusta vähentävien toimenpiteiden ja ilmastonmuutoksen vaikutus voidaan ottaa huomioon simuloinneissa.

 

Kuva 6. Käsitekartta biogeokemiallisesta mallista VEMALAn v.3-versiossa.

sVEMALA

sVemala on ravinnekuormituksen excel-pohjainen simulointityökalu, jonka tarkoituksena on parantaa VEMALAn tietojen saatavuutta ja läpinäkyvyyttä. sVemalalla voidaan laskea fosforin, typen ja kiintoaineen ainetasetta vesistössä ja katsoa pienen kuormitusmuutoksen vaikutusta esimerkiksi vesistöstä lähtevään kokonaiskuormitukseen tai alapuolisen järven pitoisuuteen. sVemala käyttää syötteenään VEMALAn laskemia ravinnekuormitustietoja ja luo helppokäyttöisen simulointiympäristön kalibroitujen retentiokertoimien sekä järvi-uomaverkoston avulla. Työkalu helpottaa muun muassa kuormituksen ympäristövaikutusten arviointia ja vesienhoidon toimenpiteiden suunnitelua.

Kuva 7 sVEMALA

Viitteet

Billen G., Garnier J. & Hanset P. 1994. Modelling phytoplankton development in whole drainage network: the RIVERSTRAHLER Model applied to the Seine river system. Hydrobiologia, 289, 119-137.

Huttunen, I., Huttunen, M., Piirainen, V., Korppoo, M., Lepistö, A., Räike, A., Tattari, S., Vehviläinen, B., 2016. A national scale nutrient loading model for Finnish watersheds – VEMALA. Environmental Modelling and Assessment 21(1), 83–109. DOI: 10.1007/s10666-015-9470-6

Jaakkola, E., Tattari, S., Ekholm, P., Pietola, L., Posch, M. & Bärlund, I. 2012. Simulated effects of gypsum amendment on phosphorus losses from agricultural soils. Agricultural and Food Science 21: 292–306.

Korppoo, M., Huttunen, M., Huttunen, I., Piirainen, V., Vehviläinen, B., 2017. Simulation of bioavailable phosphorus and nitrogen loading in an agricultural river basin in Finland using VEMALA v.3. Journal of Hydrology, 549, 363–373. http://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2017.03.050

Lancelot C., Veth C. & Mathot S. 1991. Modelling ice-edge phytoplankton bloom in the Scotia-Weddell sea sector of the Southern Ocean during spring 1988. Journal of Marine Systems (2):333-346.

Vehviläinen B. 1994. The watershed simulation and forecasting system in the National Board of Waters and the Environment. Publications of the Water and Environment Research Institute. National Board of Waters and the Environment, Finland No. 17.

Työryhmä

Markus Huttunen, Inese Huttunen, Marie Korppoo, Tiia Vento, Bertel Vehviläinen

Projects:

-BlueAdapt project: https://blueadapt.fi/en/frontpage/

-Kipsi project 

-KLIVA: Vesitase, ekosysteemipalvelut ja metallikulkeuma muuttuvassa ilmastossa  (KLIVA poster)

-VEMALA TOC: VEMALA TOC mallin kehitys (VEMALA TOC report, VEMALA TOC report II)

-KaiHali: Kaivosvesiä vastaanottavien vesistöjen hallinta ja kunnostaminen http://www.syke.fi/hankkeet/kaihali

-SulfaII: Toimintamallit happamuuden ennakoimiseksi ja riskien hallitsemiseksi turvetuotantoalueilla. http://www.syke.fi/hankkeet/sulfa2

-Lohkon ominaispiirteet huomioiva ravinnekuormitusmallinnus ja sen kehittäminen -jatkohanke (LOHKO II): https://www.mtk.fi/ymparisto/Vesiasiat/lohko/fi_FI/Lohko_II_hankekuvaus/

-Lohkon ominaispiirteet huomioiva ravinnekuormitusmallinnus ja sen kehittäminen (LOHKO): www.mtk.fi/lohko (LOHKO_loppuraportti.pdf)

-N-SINK: http://www.helsinki.fi/lammi/NSINK/ (N-SINK VEMALA final report)

-MINEVIEW: https://www.jyu.fi/bioenv/en/divisions/natural-resources-and-environment/ymp/research/mineview/mineview-project

-Rannikon kokonaiskuormitusmallin kehittäminen ja soveltaminen Suomenlahdelle ja Selkämerelle: http://www.syke.fi/fi-FI/Tutkimus__kehittaminen/Tutkimus_ja_kehittamishankkeet/Hankkeet/Rannikon_kokonaiskuormitusmallin_kehittaminen_ja_soveltaminen_Suomenlahdelle_ja_Selkamerelle

-Saaristomeren valuma-alueen kokonaiskuormitusmallin kehittämishanke:http://www.syke.fi/download/noname/%7B042BDB02-D6F2-4954-AC70-BA7DDCFA7B64%7D/121616

Lisätietoa

Hydrologi Markus Huttunen, Suomen ympäristökeskus SYKE, etunimi.sukunimi@syke.fi