Vesien- ja merenhoidon mallit

LLR, eli Lake Load Response, on Suomen ympäristökeskuksessa kehitetty selainpohjainen mallinnustyökalu järvien ravinnekuormitusvaikutusten arviointiin. LLR auttaa kuormitusvähennystarpeen arvioinnissa ja siten vesienhoidon suunnittelussa.  LLR:llä lasketaan, miten ulkoinen kuormitus ja sen muutokset vaikuttavat vesimuodostuman kokonaisravinne- ja a-klorofyllipitoisuuksiin. LLR soveltuu erityisesti huonokuntoisten tai hyvän ja tyydyttävän tilan rajalla olevien järvien kuormitusvähennystavoitteiden laskemiseen sekä tueksi ekologisen tilan arviointiin.

LLR:n laskelmat perustuvat yksinkertaisiin yhteyksiin ravinnekuormituksen ja vedenlaadun välillä. Tunnettuihin ravinnetaseyhtälöihin perustuvan ravinteiden pidättymismallin avulla voidaan laskea kokonaisravinnepitoisuus, kun järven tai vesimuodostuman pinta-ala, kuormitus, virtaama ja sedimentaationopeus tunnetaan. LLR:n fosforimalliin on lisätty myös sisäisen kuormituksen aiheuttama vaikutus. Ravinnekuormitusten avulla laskettuja kokonaisravinnepitoisuuksia käytetään vesimuodostuman a-klorofyllipitoisuuden laskentaan. Ravinteiden ja a-klorofyllin pitoisuuksien suhteesta saadaan edelleen johdettua yhteys kuormituksen ja a-klorofyllipitoisuuden välille.

Kaikki LLR:ssä oleva laskenta perustuu ns. bayesilaisen todennäköisyystilastotieteen menetelmiin, jolloin tuntemattomille muuttujille saadaan yhden arvon sijasta koko todennäköisyysjakauma. Näin voidaan arvioida myös sitä epävarmuutta, joka joko luonnostaan tai esim. datan epäedustavuudesta johtuen liittyy malliennusteiden tuloksiin.    

Lopputuloksena käyttäjä saa:

• tarvittavan ravinnekuormitusvähennyksen hyvän tilan saavuttamiseen
• kriittisen kuormituksen
• kokonaistypen ja -fosforin sekä a-klorofyllin pitoisuuksien jakaumat annetuilla kuormituksilla
• järven todennäköisimmän ekologisen tilan annetuilla kuormituksilla

LLR löytyy osoitteesta http://lakestate.vyh.fi/ vie toiselle sivustolle. Sivuilta löytyy lisätietoa malleista sekä käyttöohjeet.  Rannikkoalueille on kehitteillä vastaavanlainen mallityökalu, CLR (Coastal Load Response), mutta se ei vielä ole avoimesti käytettävissä.  

Julkaisuja  

• Yhdyskuntajätevesien satunnaispäästöjen merkitys ja vaikutus vastaanottavissa vesistöissä (julkaisut.valtioneuvosto.fi) 
• Toimivimmat mallityökalut vesistövaikutusten ja ravinteiden kierrätyksen kustannustehokkaaseen hallintaan (mmm.fi)
• Mallit avuksi vesienhoidonsuunnitteluun GisBloom-hankkeen pilottialueilla (helda.helsinki.fi)
• Kotamäki, N., Pätynen, A., Taskinen, A. et al. Statistical Dimensioning of Nutrient Loading Reduction: LLR Assessment Tool for Lake Managers. Environmental Management 56, 480–491 (2015). (link.springer.com)
• Olli Malve, Turo Hjerppe, Sirkka Tattari, Sari Väisänen, Inese Huttunen, Niina Kotamäki, Kari Kallio, Antti Taskinen, Pirkko Kauppila, Participatory operations model for cost-efficient monitoring and modeling of river basins — A systematic approach, Science of The Total Environment, Volume 540, 2016, Pages 79-89. (sciencedirect.com)

Aihealue: 
Mallinnus, järvimallinnus, vedenlaatu, ravinnetase, kasviplankton, vesienhoito

Lisätietoa
Ryhmäpäällikkö Niina Kotamäki, Suomen ympäristökeskus (Syke), etunimi.sukunimi@syke.fi 

VIHMA on Suomen ympäristökeskuksessa kehitetty Excel-malli. Sitä on käytetty erityisesti vesienhoidonsuunnitteluun liittyvissä hankkeissa ja arvioinneissa. Mallilla voidaan arvioida pelloilta vesistöihin tulevien ravinnekuormituksien määrää ja tehdä arvioita siitä, miten kuormitus muuttuisi, jos pellonmuokkaustapoja muutettaisiin. 
VIHMAn käyttö ja laskentatulokset perustuvat työkaluun tuotettuihin ominaiskuormituslukuihin ja kullakin tarkastelualueella sijaitsevan peltoalan ominaisuuksiin.

Ominaiskuormitusluvut (kg/ha/v) kuvaavat ominaisuuksiltaan ja viljelykäytöltään erilaisilta pelloilta tulevaa keskimääräistä kiintoaine- ja ravinnekuormitusta vuodessa. Työkalussa on ominaiskuormituslukuja erilaisille pellon viljelymenetelmille viidessä kaltevuusluokassa, neljässä maalajiryhmässä ja kolmessa fosforilukuluokassa.

Luvut perustuvat suomalaisten huuhtoutumakoekenttien pitkäaikaisiin mittaustuloksiin sekä koekenttätuloksista laskennallisesti johdettuihin arvoihin. Ominaiskuormituslukujen minimi- ja maksimiarvot kuvaat hydrologisesta vuosityypistä riippuvaa pitkän aikavälin keskimääräistä minimi- ja maksimikuormitusta.

Peltojen kaltevuusluokat ovat:

• < 0,5 %
• 0,5–1,5 %
• 1,5–3,0 %
• 3,0–6,0 %
• > 6,0 %

Peltojen maalaji on luokiteltu neljään ryhmään: savet, siltit, karkeat kivennäismaat ja eloperäiset maalajit.
 

Peltojen P-lukuluokat ovat:

• < 6 mg/l (maata),
• 6–9,9 mg/l
• 10–14,9 mg/l
• 15–25 mg/l
• > 25 mg/l

Peltojen viljelymenetelmien luokittelu perustuu muokkauksen jättämään talviaikaiseen pellon pinnan laatuun:

• syyskyntö
• matala sänkimuokkaus (syvyys < 10 cm)
• syvä sänkimuokkaus (syvyys 10–15 cm)
• syysvilja (perinteinen kyntö ja kylvömuokkaus)
• syysviljan suorakylvö
• talviaikainen sänki
• kevätviljan suorakylvö
• pysyvä nurmi

VIHMA toimii valuma- ja vesistöaluetasolla. Ensisijaisesti malli soveltuu erilaisten maatalouden vesiensuojelutoimenpiteiden ja toimenpidekokonaisuuksien vaikutusten sekä erilaisten skenaarioiden vaikutuspotentiaalin arviointiin. Käytännössä mallilla arvioidaan maatalouskuormituksen tavoitetasoon tarvittavien toimenpiteiden määrä. Tarvittavia lähtötietoja ovat em. tarkasteltavien kohdealueiden peltojen pinta-ala, maalaji-, kaltevuus- ja P-lukujakaumat sekä toteutetut maanmuokkaustoimenpiteet ja mahdollisuudet toteuttaa suojavyöhykkeitä ja kosteikkoja.

Suojavyöhykkeiden vaikutukset lasketaan VIHMAssa pinta-alaltaan keskimääräiselle peltokuviolle perustetulle suojavyöhykkeelle. Suojavyöhykkeen vaikutukset perustuvat eri kaltevuusluokissa ja erilaisissa muokkaus-, kasvipeitteisyyskäsittelyissä suojavyöhykkeettömän ja suojavyöhykkeellisen peltolohkon kuormituksen eroihin. Kosteikkojen vaikutukset lasketaan yläpuolisen valuma-alueen peltohehtaaria kohden, johon vaikuttaa kosteikon suhteellinen koko ja valuma-alueen peltoisuusprosentti.

Julkaisuja

• Puustinen, M., Turtola, E., Kukkonen, M., Koskiaho, J., Linjama, J., Niinioja, R., Tattari, S. 2010. VIHMA—A tool for allocation of measures to control erosion and nutrient loading from Finnish agricultural catchments. Agriculture, Ecosystems & Environment. (sciencedirect.com)
• Puustinen, M., Tattari, S., Väisänen, S., Virkajärvi, P., Räty, M., Järvenranta, K., Koskiaho, J., Röman, E., Sammalkorpi, I., Uusitalo, R., Lemola, R., UusiKämppä, J., Lepistö, A., Hjerppe, T., Riihimäki, J. and Ruuhijärvi, J. 2019. Ravinteiden kierrätys alkutuotannossa ja sen vaikutuksen vesien tilaan. KiertoVesi-hankkeen loppuraportti. Suomen ympäristökeskuksen raportteja 22/2019. (helda.helsinki.fi)

Lisätietoa
Tutkija Sari Väisänen, Suomen ympäristökeskus (Syke), etunimi.sukunimi@syke.fi

KUTOVA on Suomen ympäristökeskuksessa kehitetty Excel-työkalu, jolla voidaan arvioida eri vesiensuojelutoimenpiteiden kustannustehokkuutta ja niillä saavutettavissa olevaa fosforikuormituksen vähenemää niin maatalouden, metsätalouden, haja-asutuksen kuin turvetuotannon osalta. Työkalulla voidaan myös muodostaa kustannustehokkaita toimenpideyhdistelmiä ja laskea valittujen toimenpiteiden kustannuksia sekä yhteisvaikutuksia kuormitukseen.

Työkalua on sovellettu ja kehitetty eri hankkeissa Temmesjoen, Kalajoen, Lapuanjoen, Karvianjoen, Paimionjoen ja Vantaanjoen vesistöalueilla sekä Hiidenveden, Vanajanselän ja Läntisen Pien-Saimaan valuma-alueilla.

Julkaisuja

• Hjerppe, T. & Väisänen, S. 2015. A practical tool for selecting cost-effective combinations of phosphorus loading mitigation measures in Finnish catchments. International journal of river basin management 13(3):1-14 (tandfonline.com)

Lisätietoa
Tutkija Sari Väisänen, Suomen ympäristökeskus (Syke), etunimi.sukunimi@syke.fi

VIRVA-malli on Suomen ympäristökeskuksessa kehitetty Excel-laskentamalli, jolla voidaan arvioida vedenlaadun, erityisesti rehevyyden, vaikutusta vesistön virkistyskäyttöarvoon. Sen avulla voidaan määrittää vesistön nykyinen virkistyskäyttöarvo sekä saavutettavat hyödyt, mikäli veden laatu paranee hyvää ekologista tilaa tai erinomaista käyttökelpoisuutta osoittavalle tasolle.

Tietoa vedenlaadun vaikutuksesta virkistyskäyttöön tulee ensin kerätä kyselytutkimuksen tai haastattelujen avulla. VIRVAa sovelletaan erikseen rantakiinteistöille ja muiden kuin rantakiinteistöjen käyttäjien virkistyskäyttöarvon määrittämiseksi. Ranta-asutuksen virkistyskäyttöarvo muodostuu uinnista, kalastuksesta, veneilystä, pesu- ja saunaveden otosta sekä vesimaiseman ihailusta ja rannalla oleilusta. Eri käyttömuotojen tärkeys otetaan huomioon käyttömuotokohtaisten painokertoimien avulla. Muiden kuin rantakiinteistöjen käyttäjien virkistyskäyttöarvo muodostuu mallissa uinnista, kalastuksesta ja veneilystä. VIRVAa on sovellettu ja kehitetty useilla vesistöalueilla.

VIRVAssa lähtökohtana on oletus, että muutos vedenlaadussa vaikuttaa virkistäytymisestä koettuun hyötyyn, jota tarkastellaan virkistyskokemuksen laadun ja määrän kautta. Esimerkiksi vedenlaadun heikentymisen seurauksena virkistäytymisen miellyttävyys vähenee, käyttäjälle voi aiheutua lisätyötä tai lisäkustannuksia, käytön määrä vähenee sekä ääritapauksessa vesistöä ei ole enää mahdollista käyttää lainkaan virkistykseen.

Julkaisut    

• Seppälä, E., Hjerppe, T. & Marttunen, M. 2014. Vesiensuojelun hyödyt Suomenlahdella - Vedenlaadun vaikutukset vesistön virkistyskäyttöön VIRVA-mallilla arvioituna. Suomen ympäristökeskuksen raportteja 34/2014. 66 s. (helda.helsinki.fi)
• Hjerppe, T., Seppälä, E., Väisänen, S. & Marttunen, M. 2016. Monetary assessment of the recreational benefits from improved water quality – description of a new model and a case study. Journal of environmental planning and management. (tandfonline.com)

Lisätietoa
Tutkija Sari Väisänen, Suomen ympäristökeskus (Syke), etunimi.sukunimi@syke.fi

COHERENS (COupled Hydrodynamical Ecological model for REgioNal Shelf seas) on Belgiassa kehitetty avoimen lähdekoodin mallinnustyökalu rannikkomerien, järvien ja muiden altaiden kolmiulotteiseen mallintamiseen. Mallia käytetään esimerkiksi vesistöön joutuvien aineiden leviämistarkasteluihin.

Sykessä COHERENS-mallia käytetään yksityiskohtaisessa järvien kulkeutumismallinnuksessa ja tarvittaessa kehitetään vastaamaan pohjoisen sijaintimme ja lukuisten järviemme erityispiirteitä, kuten talviaikaista jääpeitteisyyttä, rikkonaisuutta ja mataluutta. Mallia on mahdollista käyttää myös tulvimistarkasteluihin ja soveltuvilla jokiosuuksilla. Merialueilla COHERENS-malli on käytössä Saaristomerellä osana rannikon kokonaiskuormitusmallia (FICOS).

Mallin lähestymistapa on mekanistinen, eli laskenta tapahtuu osa kerrallaan fysiikan laeista johdettujen yhtälöiden perusteella. Mallin syöttötietoina käytetään altaiden syvyys- ja säätietoja sekä altaaseen tulevien ja siitä lähtevien jokien virtaamatietoja. Vesialue jaetaan mallissa palasiin, jotka ovat kooltaan riittävän pieniä tutkittavan asian selvittämiseksi. Järvialueilla palasten koko eli laskentahilan tarkkuus on yleensä vaakasuunnassa 20 metristä 250 metriin ja syvyyssuunnassa vesipatsas on jaettu viidestä kahteenkymmeneen kerrokseen. Jokaisen palasen sisällä lasketaan veden virtausnopeus ja lämpötila sekä tarvittaessa suolaisuus tai vaikkapa ravinnepitoisuus. Mallin laskemia suureita voidaan muokata tapauskohtaisesti, tai malliin voidaan liittää muita ulkoisia malleja.  

Suomen tuhansista järvistä parikymmentä on mallinnettu COHERENS-työkalulla eri hankkeissa, , jotka liittyvät usein vesirakentamiseen (esimerkiksi Pien-Saimaan pumppaamojen vaikutukset) tai tutkimukseen (esimerkiksi paikalliset tuulivaikutukset Jyväskylän Tuomio- ja Palokkajärvillä). Mallinnettuja järviä ovat mm. Pien-Saimaa, Onkivesi, Pohjois-Päijänne, Näsijärven eteläosat, Tampereen Pyhäjärvi ja Säkylän Pyhäjärvi.

COHERENS-mallilla ei ole varsinaista käyttöliittymää vaan sen käyttö tapahtuu määrittelemällä syöttöaineistot ja malliasetukset joko suoraan mallikoodiin tai erillisten syöttötiedostojen välityksellä. 
 

Linkkejä  
COHERENS-mallin kehittäjän kotisivut (odnature.be)

Lisätietoa
Tutkija Janne Ropponen, Suomen ympäristökeskus (Syke), etunimi.sukunimi@syke.fi

Vemala-malli on Suomen ympäristökeskuksessa kehitetty operatiivinen, koko Suomen kattava kuormitusmalli vesistöille. Se simuloi ravinteiden prosesseja, huuhtoutumista ja kulkeutumista maalla, joissa ja järvissä. Malli simuloi ravinteiden kokonaiskuormaa vesistöihin, pidättymistä ja Suomen vesistöistä Itämereen lähtevää kuormaa.  

Lisää tietoa löydät Vemalan omalta sivulta. 

Suomen ympäristökeskuksella on käytössä koko Suomen kattava vesistömallijärjestelmä, jolla ennustetaan mm. vesistöjen vedenkorkeuksia ja virtaamia sekä pohjaveden korkeuksia, varoitetaan tulvista ja kattojen lumikuormista sekä lasketaan vesistöjen ravinnekuormitusta Itämereen.

Lisää tietoa löydät Vesistömallijärjestämän omalta sivulta.

Rannikkomallijärjestelmä eli FICOS-malli auttaa tutkijoita ja viranomaisia vesienhoidollisten toimenpiteiden suunnittelussa, vaikutusten arvioinnissa ja seurannassa. Sillä voidaan helposti laskea ja vertailla kuormitusmuutosten vaikutuksia rannikon vedenlatuun. Malli kattaa Suomen koko rannikon  joitain poikkeuksia lukuun ottamatta talousvyöhykkeelle asti.

Lisää tietoa löydät Rannikkomallijärjestämän omalta sivulta.