WSFS-Vemala

• Vuosimaksullinen käyttöliittymä asiantuntijakäyttöön (sis. sVemala-työkalun)
• Maksulliset tietopyynnöt
• Mallinnuspalvelut tilaustöinä
• Tutkimushankkeet ja muut projektit (mallitarkastelut, mallikehitys ja yhteistyö)  projektiesimerkkejä

Vemalan simulointityökalu 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. Nykytilan simuloinnin lisäksi sVemalassa on Vemalan laskemia maatalouden ja vesienhoidon toimenpiteiden skenaarioita yhdistettynä muuttuvaan ilmastoon. 

sVemalan sisältö tiivistetysti:

• Ravinteiden kulkeutumisen laskenta: Typen, fosforin ja kiintoaineen kulkeutumisen ja pidättymisen laskenta, tieto kuormituslähteittäin kullekin joelle ja järvelle
• Kuormituksen muutos: käyttäjä syöttää kuormituksen muutoksen tietylle joelle tai järvelle (kg/vuosi)
• Järven/joen koostesivu: kertoo vesimuodostumaan kohdistuvan kuormituksen sekä sen jakautumisen kuormituslähteisiin
• Aluekohtaiset kuormat: laskenta tuottaa aluekohtaiset kuormat 
• Ohjeet: sVemalan käyttöohjeet sekä tieto Vemala-mallin syötteistä ja prosesseista

Vemalan simulointityökalu on tarkoitettu organisaatioiden asiantuntijakäyttöön ja saatavilla Vemalan vuosimaksullisen käyttöliittymän kautta.

Pidätysaluelaskenta on esimerkki Sykessä tilaustöinä toteutettavista mallinnustarkasteluista. Pidätysaluelaskenta on Sykessä kehitetty menetelmä potentiaalisten pidätysaltaiden tunnistamiseksi valuma-alueilta. Menetelmällä voidaan arvioida altaiden vaikutuksia tulvien hallintaan, alivirtaamiin ja ravinteiden pidättymiseen. 

Laskenta on kaksiosainen: 

1. Potentiaalisten pidätysaltaiden tunnistaminen paikkatietomenetelmin
2. Pidätysaltaiden vaikutusten mallintaminen Vemala-mallilla

Pidätysallaslaskennan tulokset ovat valuma-aluekohtaisia ja riippuvat tunnistettujen pidätysaltaiden kapasiteetista ja sijainnista. Yleisesti ottaen altaiden tulvanpidätyskapasiteetti koko vesistön tasolla on ollut riittämätön, mutta paikallisesti vaikutukset voivat olla merkittävämpiä, etenkin alivirtaamien osalta. Myös ravinteiden pidättymisen osalta vaikutukset ovat vesistötasolla pieniä. Varastoimalla ravinteita pidätysaltaisiin voidaan hidastaa ja tasoittaa niiden vapautumista alapuolisiin vesistöihin. Lisätietoa pidästysaluelaskennoista liitteen esitysmateriaalista. 

Vemalan pitkän aikavälin vaikuttavuuden syntymistä on havainnollistettu vaikuttavuuspolkutarkastelulla, jonka Gaia Consulting Oy toteutti Suomen ympäristökeskuksen vaikuttavuuden arvioinnin yhteydessä. Vaikuttavuuspolkutarkastelu kuvaa mallin ylläpito- ja kehitystyötä siihen käytettyjen resurssien, toteutettujen toimenpiteiden, tuotosten, vaikutusten ja vaikuttavuuden osalta.

Suomen ympäristökeskus saavutti tulossopimuksen vaikuttavuustavoitteet (Gaia Consuling Oy, Syken vaikuttavuuden arviointi 2024)

Kuva

(© Gaia Consuling Oy 2024, Syken vaikuttavuuden arviointi) 

Resurssit: Vesistömallijärjestelmä & Syken asiantuntijoiden erityisosaaminen & taloudelliset resurssit

Aktiviteetit: Yhteistyö & aineistojen koonti & mallin käyttö, päivittäminen ja kehittäminen

Tuotokset: Asiantuntija-aineistot & raportit ja julkaisut & ajantasainen Vesistömallijärjestelmä

Vaikutukset: tietoisuuden lisääntyminen & syvempi ymmärrys & tiedon siirtyminen päätöksenteon tueksi

Vaikuttavuus: ekologisen kestävyyden ja yhteiskunnallisen hyvinvoinnin vahvistaminen & vesistöjen tilan paraneminen & vesiensuojelutoimien kohdentuminen ja tehokkuuden lisääntyminen

• Mistä rehevöityminen johtuu? (vesi.fi)
• Rehevöittävää kuormitusta arvioidaan Vemalalla, tutustu tarkemmin Vemalan arvioihin (ymparisto.fi)
• Vemalaa hyödynnetään työkaluna vesienhoitotyössä, tutustu tarkemmin vesienhoitotyöhön (vesi.fi)
• Vesien ja merensuojelun monet mahdollisuudet (ymparisto.fi)
• Nykyiset vesiensuojelutoimenpiteet eivät riitä turvaamaan Itämeren rannikkovesien elinvoimaisuutta
• Narikka ym. WSFS-Vemala-kuormitusmallin paikkatietorajapinta valuma-aluesuunnittelun tukena. Vesitalous 6/2024 s. 15-21 (pdf, 2.6 Mt)

Kuva

Taulukossa alla on kuvattu Vemalan operatiivisia malliversioita V1 ja V3. Versiossa V1 ravinteet kuvataan kokonaisravinteina (kokonaistyppi ja kokonaisfosfori) kun taas versiossa V3 saadaan lisäksi ravinnejakeet erikseen. Vemalan avoin paikkatietoaineisto on tuotettu malliversiolla V1.

Vemala V3

Vemala V3 käyttää syötteenä Vemalan eri osamalleilla laskettua maalta tulevaa kuormitusta kuten on esitetty taulukossa yllä. Järvissä ja joissa kasviplanktonin kasvua simuloidaan AQUAPHY-mallilla (Lancelot ym. 1991) ja ravinteiden kiertoa biogeokemiallisen RIVE-mallin (Billen ym. 1994) yksinkertaistetulla versiolla. Biologisesti käyttökelpoiset ravinteet ovat yhteydessä toisiinsa kasviplanktonin muutosten, orgaanisen aineen hajoamisen ja sedimentaation kautta. Vemala V3 -versiolla voidaan simuloida kokonais- ja biologisesti käyttökelpoisten ravinteiden (NO3- and PO43-) kuormaa mereen eri kuormituslähteisiin jaoteltuna. Viljelytoimenpiteiden, kuormitusta vähentävien toimenpiteiden ja ilmastonmuutoksen vaikutus voidaan ottaa huomioon simuloinneissa.

Kuva

Lisätietoja Vemala V3 -mallista: Korppoo ym. 2017 (sciencedirect.com)

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. Vemala-N osamallin tulokset sekä metsäkuormitus fosforin osalta sovitetaan lopuksi Metsävesi-yhtälöihin (Metsävesi, 2020).

Kuva

Lisätietoja mallista: Huttunen ym. 2015 (researchgate.net)

Prosessipohjainen ICECREAM-malli (esim. Jaakkola ym. 2012) simuloi maataloudesta tulevaa partikkeleihin sitoutuneen fosforin (PP) ja fosfaatin (PO43-) 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

Kuva

Lisätietoja mallista:  Huttunen ym. 2015 (researchgate.net)

Typen prosessipohjainen mallinnus ICECREAM-mallilla perustuu GLEAMS-malliin (Knisel, 1993). ICECREAM simuloi typpitasetta päivätasolla huomioiden seuraavat: orgaaninen aines, orgaaninen typpi, ammoniumtyppi (NH4-N) ja nitraattityppi (NO3-N). Simulaatiossa huomioidaan kasvijäte, orgaaniset ja mineraalilannoitteet, laskeuma ilmakehästä, kasvien sitominen ja orgaanisen aineksen hajoaminen. Maaperän typpeen vähentävästi vaikuttavia prosesseja ovat kasvien typenotto, denitrifikaatio sekä kulkeutuminen virtaaman tai valunnan mukana. ICECREAM tuottaa peltokohtaiset tulokset maatalouden typpikuormituksesta fraktioittain (orgaaninen typpi, ammoniumtyppi NH4-N ja nitraattityppi NO3-N), ja näitä käytetään Vemala-mallin syötteenä.

Kuva

Lisätietoja mallista ja yksityiskohtaisempi kuvaus mallin rakenteesta (ks. kuva 2): Kämäri ym. 2019 (sciencedirect.com)

Vemala TOC -malli simuloi orgaanisen kokonaishiilen (TOC) prosesseja maaperässä. Orgaanisen hiilen huuhtoutuminen on riippuvainen maaperän hiilivarastosta, maankosteudesta, lämpötilasta ja valunnasta. Maaperän hiiltä kuvataan kolmen varaston avulla: maaperän orgaaninen hiili (SOC, soil organic carbon), liuennut orgaaninen hiili (DOC, dissolved organic carbon) ja liuennut epäorgaaninen hiili (DIC, dissolved inorganic carbon). Mallissa kuvatut keskeiset prosessit ovat orgaanisen hiilen (OC) mineralisaatio, orgaanisen hiilen (OC) dissosiaatio ja DOC:n muodostuminen, DOC:n assosiaatio takaisin SOC:ksi. Malli simuloi TOC-kuormitusta kuudesta maankäyttöluokasta: pelloilta savimaalla, pelloilta karkealla maalla, pelloilta eloperäisellä maalla, metsistä ojitetulla turvemaalla ja turvetuotantoalueilta, metsistä ojittamattomalla turvemaalla sekä metsistä kivennäismaalla (sis. muut maa-alueet). TOC-mallia ja hiilen mallinnusta Vemalassa jatkokehitetään käynnissä olevissa projekteissa.

Kuva

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.

Finér L., Lepistö A., Karlsson K., Räike A., Tattari S., Huttunen M., Härkönen L., Joensuu S., Kortelainen P., Mattsson T., Piirainen S., Sarkkola S., Sallantaus T. & Ukonmaanaho L. 2020. Metsistä ja soilta tuleva vesistökuormitus 2020. MetsäVesihankkeen loppuraportti. Valtioneuvoston selvitys- ja tutkimustoiminnan julkaisusarja 2020:6. Valtioneuvoston kanslia. http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-287-826-7 

Huttunen, I., Lehtonen, H., Huttunen, M., Piirainen, V., Korppoo, M., Veijalainen, N., Viitasalo, M., Vehviläinen, B. 2015. Effects of climate change and agricultural adaptation on nutrient loading from Finnish catchments to the Baltic Sea. Science of The Total Environment. Volume 529, 168-181. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2015.05.055

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 https://doi.org/10.1007/s10666-015-9470-6 

Huttunen, I., Huttunen, M., Salo, T., Mattila, P., Maanavilja, L., & Silfver, T. 2023. National-scale nitrogen loading from the Finnish agricultural fields has decreased since the 1990s. Agricultural and Food Science, 32(3), 112–127. https://doi.org/10.23986/afsci.125385

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. https://doi.org/10.23986/afsci.6773 

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 

Kämäri, M., Huttunen, I., Valkama, P., Huttunen, M., Korppoo, M., Tattari, S. & Lotsari, E. 2019. Modelling inter- and intra-annual variation of riverine nitrogen/nitrate losses from snowmelt-affected basins under agricultural and mixed land use captured with high-frequency monitoring. CATENA 176: 227–244. https://doi.org/10.1016/j.catena.2019.01.019 

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.

Lignell, R., E. Miettunen, H. Kuosa, J. Ropponen, L. Tuomi, I. Puttonen, K. Lukkari, M. Korppoo, M. Huttunen, K. Kaurila, J. Vanhatalo, F. Thingstad. Modeling how eutrophication in northern Baltic coastal zone is driven by new nutrient inputs, internal loading, and 3D hydrodynamics. 2025. Journal of Marine Systems. (submitted) https://doi.org/10.1016/j.jmarsys.2025.104049 

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.

Käynnissä olevia projekteja:

• BlueLakes: Digitizing the Carbon Sink Potential of Boreal Lakes 
• VESSU-ST: Vesienhoidon suunnittelutyökalun suunnittelu ja toteutus
• SiKaSimu: Sika- ja siipikarjatuotannon vesistövaikutusten vähentämisen mahdollisuudet, projektisivulle (luke.fi)
• Pidätysalueiden tunnistaminen ja vaikutusten mallintaminen Vemalalla - menetelmää kehitetty ja sovellettu useissa hankkeissa yhteistyössä eri ELY-keskusten kanssa 

Päättyneitä projekteja:

• BlueAdapt: Sopeutuminen sinisen kasvun avaimena, projektisivulle (blueadapt.fi)
• Green-Digi-Basin: Kohti kestävää digitaalista vesienhoitoa, projektisivulle (freshwatercompetencecentre.com)
• KIPSI: projektisivulle (seuranta.vaikutavesiin.fi)
• KLIVA: Vesitase, ekosysteemipalvelut ja metallikulkeuma muuttuvassa ilmastossa, ​​​​​projektisivulle (fikliva.org)
• SysteemiHiili: Ilmastotoimenpiteiden kokonaisvaltainen arviointi valuma-alueilla - Systeemianalyysillä kohti hiilineutraalia maankäyttöä 
• Vemalan TOC-mallin kehitys
• KaiHali: Kaivosvesiä vastaanottavien vesistöjen hallinta ja kunnostaminen 
• Sulfa 2: Toimintamallit happamuuden ennakoimiseksi ja riskien hallitsemiseksi turvetuotantoalueilla
• LOHKO I & II: Lohkon ominaispiirteet huomioiva ravinnekuormitusmallinnus ja sen kehittäminen, projektisivulle (mtk.fi)
• N-SINK: Reduction of waste water nitrogen load: demonstrations and modelling
• MINEVIEW: Monimuuttujallinen tarkastelu arvioitaessa kaivostoiminnan metallipäästöjen ekotoksilogisia ja ympäristöterveydellisiä riskejä sekä niiden kokemista lähialueilla, projektisivulle (jyu.fi)
• Rannikon kokonaiskuormitusmallin (FICOS) kehittämishankkeet, loppuraportti (researchgate.net) & tiedote (syke.fi) 

Yllä on esimerkkejä Vemala-malliin liittyvistä suuremmista projekteista. Tietoa projekteista täydentyy jatkossa Syke.fi:n projektit-osioon.