LOHJANJÄRVEN 3D-VESISTÖMALLIT

Transkriptio

1 LIFE Environment LOHJANJÄRVEN 3D-VESISTÖMALLIT Arto Inkala Suomen Ympäristövaikutusten Arviointikeskus (YVA) Oy LOHJAN YMPÄRISTÖLAUTAKUNTA, JULKAISU /

2 LOHJANJÄRVEN 3D-VESISTÖMALLIT Arto Inkala Suomen Ympäristövaikutusten Arviointikeskus (YVA) Oy LOHJAN YMPÄRISTÖLAUTAKUNTA, JULKAISU / LOHJA 2 1

3 Kansikuva: Lohjanjärvi/Osuniemenlahti Lohjan ympäristölautakunta ISSN ISBN Lohja 2 2

4 Sisällysluettelo 1. Johdanto Menetelmät ja aineistot Mallin matemaattinen kuvaus Virtausmalli Vedenlaatumalli Yksinkertainen vedenlaatumallin kuvaus Happimallin kuvaus Kasviplanktonmallin kuvaus Sedimenttimallin kuvaus Syöttötiedot Lohjanjärvellä Virtausmalli Vedenlaatumalli Yhdistäminen valuma-aluemalleihin Virtausmittaukset Vedenlaatumittaukset Tarkkailuohjelma Vapaaehtoisseuranta Satelliittikuvat Tulokset Mallin kalibrointi ja validointi Mallihila Virtauslaskenta Virtauskenttien vertailu regressiomallin virtauksiin Virtauslaskennan vertailu mittausaikasarjoihin Vedenlaatu Suorat mittaukset Vuorovaikutuksettomat aineet Happi Kasviplankton Satelliittikuvat ja vapaaehtoisseuranta Skenaariot Pitkäniemen ja Loparexin purkuputkien yhdistäminen Maikkalanselän sisäisen kuormituksen vaikutuksen arviointi Päästöjen leviäminen ongelmatilanteissa Ennusteet Yhteenveto, johtopäätökset ja pohdinnat... 4 Viitteet... 7 Liitteet 14 kpl 86 sivua

5 1. Johdanto Lohjanjärven matemaattinen mallintaminen on osa Karjaanjoki-life hanketta, jonka tavoitteena on Lohjanjärven käyttöarvon parantaminen. Hankkeessa toteutettiin myös Lohjanjärven valuma-alueen mallintaminen, satelliittimittauksia ja vapaaehtoisseurantaa, joiden tuloksia käytettiin hyväksi Lohjanjärven mallissa, mutta tässä raportissa käsitellään tarkemmin vain Lohjanjärven virtaus- ja vedenlaatumallia. Lohjanjärven virtaus- ja vedenlaatumallit kalibroitiin Lohjanjärven olosuhteisiin, jolloin tavoitteena on alueen erityispiirteiden ja ongelmien kartoittaminen sekä havainnollistaminen. Kalibroituja malleja voidaan käyttää erilaisten skenaarioiden ja ennusteiden tekemiseen sekä eri kuormituslähteiden suhteellisten osuuksien arviointiin järven eri osissa. 2. Menetelmät ja aineistot 2.1 Mallin matemaattinen kuvaus Matemaattisella mallilla pyritään kuvaamaan ympäristöä mahdollisimman hyvin. Kaikkia luonnossa ilmeneviä prosesseja malliin ei kuitenkaan voida ottaa malliin sellaisenaan, sillä niitä ei joko tiedetä tarkasti (esim. eri raekokoja sisältävän kiintoaineen vajoamisnopeus) tai ne ovat niin pienen mittakaavan ilmiöitä, että laskentatehot eivät tietokoneissa riitä (esim. kasviplankton solun jakaantuminen). Malleissa tehdään siis yksinkertaistuksia. Monimutkaiset ilmiöt kuvataan yksinkertaisten funktioiden ja keskimääräisten parametrien avulla siten, että mallisimulaation tulos kuvaisi mahdollisimman hyvin luonnosta mitattuja arvoja. Mitä vähemmän muuttujiin vaikuttavia tekijöitä on olemassa sitä yksinkertaisempia ja nopeampia malleja voidaan käyttää. Kaikki muuttujat ja vuorovaikutukset sisältävää mallia ei ole mielekästä rakentaa vaan tarvittavien syöttötietojen määrä riippuu tutkittavasta asiasta (esim. jätevesien kulkeutumisen laskentaan tarvitaan vähemmän tietoja kuin sen vaikutusten arviointiin kasviplanktonbiomassaan) ja yksinkertaistusasteesta (esim. virtauksia laskettaessa ei yleensä simuloida leväbiomassaa vaikka se saattaakin joissain tilanteissa lämmittää vettä epäsuorasti säteilyn heijastumista vähentämällä ja sitä kautta vaikuttaa virtauksiin). Lisäksi mallin kuvaamiskykyyn vaikuttaa erotustarkkuus. Lohjanjärven mallissa järvi jaettiin horisontaalisuunnassa 7 m x 7 m hilakoppeihin, jotka olivat vertikaalisuunnassa joidenkin metrien syvyisiä. Erotustarkkuutta pienemmän mittakaavan ilmiöitä mallissa ei voida kuvata (esimerkiksi syvyyden muuttumista tällä alueella) vaan hilakopin alueella käytetään keskimääräisiä arvoja. 4

6 Mallihanketta suunniteltaessa edellä mainitut yksinkertaistukset tulee huomioida. Välttämättä mallilla ei pystytä kuvaamaan kaikkia luonnossa havaittavia ilmiöitä ja monet esimerkiksi kumpuaminen eli alusveden nousu sopivissa tuuliolosuhteissa pintaan voi mallissa jäädä poikkeavalle tasolle. Erityisen tärkeää mallia tehtäessä olisi tietää kaikki mallin tulevat käyttötarkoitukset. Näin malli pystytään suunnittelemaan siten, että tarpeellisia skenaariosimulointeja voidaan toteuttaa sillä. Seuraavissa kappaleissa on selvitetty Lohjanjärvimallin eri laskentamoduleissa (virtaukset, vuorovaikutuksettomat aineet, ekosysteemi- ja sedimenttiosiot) huomioon otettuja vuorovaikutuksia sekä tehtyjä yksinkertaistuksia. Malleissa käytetyt yhtälöt tarkempine kuvauksineen löytyvät liitteistä Virtausmalli Virtausmallilla (Koponen et al. 1992) lasketaan ensisijaisesti virtausnopeudet hilakoppien välillä. Virtausnopeuksien lisäksi mallialueella veden tiheyteen vaikuttavat muuttujat (esim. lämpötila, suolaisuus tai jätevesi) täytyy simuloida, kun lasketaan kerrostuneita tilanteita. Virtaukset määräytyvät niin mallissa kuin luonnossakin reunaehtojen mukaan. Veden pinnalla virtauksiin vaikuttaa tuuli tai talvella jääpeitteen kitka ja pohjalla pohjakitka. Kitkavoimat hidastavat virtausta ja tuulin pintajännitys lisää sitä. Erisuuntaisten voimien takia veteen syntyy liikettä, joka kuitenkin pyrkii tasoittumaan veden sisäisen kitkan eli viskositeetin takia. Kaavakuva virtauksiin vaikuttavista tekijöistä on esitetty kuvassa 1 ja tarkemmat yhtälöt liitteessä 1. Tuuli Säitely ja ilman lämpötila Jääpeite Lähtövirtaamat Reuna-arvot Järvi Jätevedet Tulovirtaamat Tulopitoisuudet Kuva 1. Kaavakuva virtauksiin vaikuttavista ulkoisista tekijöistä. Mustat nuolet kuvaavat suoria vuorovaikutuksia virtauksiin, harvat katkoviivat lämpötaseisiin ja tiheät katkoviivat muihin veden tiheyteen vaikuttaviin muuttujiin.

7 Virtaukset liikuttavat vettä, jolloin altaan eri alueiden välille syntyy pinnankorkeuseroja. Pinnankorkeudet pyrkivät tasoittumaan ja virtauksen kasvu hidastuu ja vakiintuu tietylle tasolle, mikäli sääolosuhteet pysyvät samoina. Mallissa virtauksiin suoraan vaikuttavina syöttötietoina ovat tuulen suunta ja nopeus, jokivirtaamat, pinnankorkeudet tai osa näistä. Joko kitkavoimien tai tiheysmuutosten kautta myös muut säätiedot, ilman lämpötila, säteily, pilvisyys, suhteellinen kosteus, jääpeite ja sadanta vaikuttavat laskentaan. Erityisesti lämmön vaihto veden pinnan ja ilman välillä riippuu vahvasti säätilanteesta. Säätilasta riippumatta mallialueelle voi tulla myös lämpölähteitä tai veden tiheydestä poikkeavia jätevesiä, jotka vaikuttavat tiheyteen ja sitä kautta kulkeutumiseen. Lohjanjärven virtauskenttien laskennassa otettiin huomioon M-realin jäteveden vettä suurempi tiheys, mutta ei muiden pienempien päästölähteiden jätevesien tiheysvaikutuksia eikä Virkkalanlahdelle tulevien jäähdytysvesien vaikutuksia. Lämpötilakerrostuneet kentät laskettiin yhdelle kerrostuneisuustilateelle (pintavesi 17oC, alusvesi 4 oc) ja lisäksi tarvittiin keinotekoista vähentämisetä pinta- ja alusveden sekoittumiselle Vedenlaatumalli Vedenlaatumalli tuottaa laskettavista muuttujista laskettavalta aikajaksolta pitoisuusarvot jokaisessa mallihilan hilakopissa. Hilakopin koko määrittelee mallin erotustarkkuuden. Laskettuja pitoisuuksia voidaan tallettaa aikasarjoina valituista pisteistä, hetkellisenä pitoisuuskenttänä, sekä koko laskenta-ajan keskiarvokenttänä. Laskettuja tuloksia voidaan vertailla esimerkiksi pitoisuusmittauksiin ja satelliittikuviin. Tyypilliset mallinnuksessa laskettavat vedenlaatumuuttujat ovat esimerkiksi ekosysteemimallinnukseen liittyvät liukoinen typpi ja fosfori (DIN, DIP) sekä levien määrää vedessä kuvaavat muuttujat. Vedenlaatumuuttujien pitoisuuksien laskentaa varten tarvitaan virtaustiedot, kuormitustiedot ja laskentaparametrit. Lisäksi mallin tulosten varmistamiseen ja mallin parametrien kalibrointiin on hyvä olla mittaustietoja mallinnettavalta alueelta ja aikajaksolta. Virtaustiedot lasketaan vedenlaatumallille virtausmallilla. Virtaukset lasketaan joukkona staattisia virtauskenttiä (kaksi tuulen suuntaa ja jokikentät), joita olosuhdetietojen perusteella kombinoimalla saadaan aikaiseksi kutakin ajanhetkeä vastaava virtauskenttä. Kuormitusten laskemiseksi lähtötiedoiksi tarvitaan vesistöön tulevat virtaamat, muuttujien pitoisuudet tulovirtaamissa, sekä alueella olevat pistekuormitukset laskettavien muuttujien osalta. Arvot ovat normaalisti ajan suhteen muuttuvia, jolloin voidaan puhua virtaama-, kuormitus-, ja pitoisuusaikasarjoista. Usein kaikkia tarvittavia tietoja ei tunneta kovin suurella tarkkuudella, missä tapauksessa on käytettävä parasta mahdollista saatavilla olevaa arviota. Kun virtaukset ja kuormitukset tunnetaan voidaan muuttujien pitoisuudet laskea. Kaikkien muuttujien laskennassa huomioidaan virtausmalliin ja tuulitietoihin perustuva aineiden kulkeutuminen ja sekoittuminen vesimassaan. Muita laskentaan vaikuttavia 6

8 seikkoja ovat mm. aineiden vajoaminen vesikerroksissa alaspäin ja sedimentoituminen pohjalle. Em. prosessien nopeuksia ja muita mallin laskentaan vaikuttavia arvoja kutsutaan yhteisellä nimellä laskentaparametreiksi. Esim. järvi- ja merialueilla laskentaparametrit ovat hieman erilaisia, joten parametrit on aina sovitettava mallinnettavan alueen mukaan. Virtauskentät (virtausmallista) Tulostusasetukset Laskenta-- parametrit Vedenlaatumalli Laskentaasetukset Pistekuormitukset Reunapitoisuudet Reuna- Tuuli Aikasarjatiedot virtaukset Lasketut aikasarjat Animaatio Pitoisuuskentät Kuva 2. Kaavakuva vedenlaatumallista Yksinkertainen vedenlaatumallin kuvaus Yksinkertaisessa vedenlaatumallissa laskentamuuttujat eivät ole vuorovaikutuksessa keskenään. Virtausten lisäksi laskentamuuttujiin vaikuttavat vajoaminen ja sedimentoituminen, siis aineen ominaisuuksista syntyvä pystysuuntainen kulkeutuminen. Vajoaminen ja sedimentoituminen voivat olla Lohjanjärven mallissa sekä lineaarista (senttiä päivässä) että neliöllistä, jolloin vajoamisparametri kerrotaan pitoisuudella. Neliöllisellä vajoamisella/sedimentoitumisella suuret pitoisuudet vajoavat/sedimentoituvat nopeammin, kun taas pienet taustapitoisuudet eivät vajoa/sedimentoidu kovin nopeasti. Vuorovaikutuksettomia laskentamuuttujia mallissa ovat kiintoaine, sameus, natrium, kokonaisravinteet ja keinotekoisena muuttujana jätevesipitoisuus. Yksinkertaiseen vedenlaatumalliin voidaan vielä liittää aineen hajoaminen (esim. bakteerien kuoleminen tai radioaktiivinen hajoaminen), mutta Lohjanjärven sovelluksessa näitä muuttujia ei laskettu. Mallissa käytetyt yhtälöt löytyvät liitteestä 2. 7

9 Happimallin kuvaus Hapen laskennassa uutena ilmiönä tulee mukaan ilmastuminen ja saturaatiopitoisuus. Ilmastuminen voidaan ajatella "ilmasta tulevaksi happikuormitukseksi", jonka suuruus riippuu tuulen nopeudesta eli tuuli sekoittaa ilmaa ja vettä keskenään sitä enemmän mitä kovemmin tuulee. Saturaatiopitoisuus on maksimaalinen happipitoisuus, joka vedessä voi olla ja se määräytyy veden lämpötilasta. Mitä lämpimämpää vesi on sitä vähemmän siihen voi liueta happea. Nolla asteiseen veteen happea voi liueta eniten ja maksimi happipitoisuus näin ollen on noin 14 mg/l. Ylikyllästystilanteissa happea on vedessä saturaatiopitoisuutta enemmän. Tälläisiä tilanteita voi syntyä, kun veden lämpötila nousee nopeasti tai kasviplanktontuotanto synnyttää veteen happea. Tällöin ilmastuminen ei tuo veteen lisää happea vaan sitä karkaa ilmaan. Lisäksi happi vuorovaikuttaa sitä kuluttavien muuttujien BOD (biologinen hapen kulutus) ja COD (kemiallinen hapen kulutus) kanssa. BOD ja COD hajoavat ja kuluttavat samalla happea, mikäli vedessä vielä on happea jäljellä, muutoin hajoaminen keskeytyy. Todellisuudessa BOD ja COD voivat sisältää eri nopeudella hajoavia komponentteja. Mallintamisen kannalta ei ole väliä, onko hapenkulutus BOD:tä vai COD:tä vaan pikemminkin oleellista on happea kuluttavan aineen hajoamisnopeus. Siksi Lohjanjärven mallissa päädyttiin kuvaamaan jokivesien hitaasti hajoavaa COD:tä yhdellä muuttujalla ja nopeammin (BOD:n nopeudella hajoavaan) happea kuluttavaan muuttujaan sisällytettiin myös teollisuuden ja asumajätevesien COD. Näin happea kuluttavien aineiden pitoisuudet saatiin parhaiten vastaamaan mittauksia. Kun kasviplanktonin laskenta on mallissa mukana, se vaikuttaa myös happitilanteeseen. Kasviplanktonin perustuotanto tuottaa happea ja kasviplanktonin kuoltua se vajoaa pohjalle ja tämän detrituksen hajotessa vastaava määrä happea kuluu. Järven sisäinen kuormitus on myös riippuvainen pohjan happitilanteesta eli se tapahtuu anaerobisissa olosuhteissa. Lisäksi malliin voidaan antaa ylimääräinen hapenkulutus/happea kuluttavan aineen kuormitus pohjalle, jos on perusteltua olettaa, että sedimentti kuluttaa happea nykytilanteesta arvioituja kulutuksia enemmän. Lohjanjärven etelä osaan annettiin ylimääräinen sedimentin hapenkulutus, sillä M-realin vanhojen jätevesien oletettiin vuosien aikana osittain sedimentoituneen pohjalle ja kuluttavan happea vielä nykyisin. 8

10 Ilmastuminen -Tuuli Saturaatiopitoisuus - Lämpötila Kuormitus - piste - pohja BOD COD O2 Levät Ravinteet Detritus Pohjan hapenkulutus - manuaalisesti annettu Pohjan ravinteet - hapettomuus Kuva 3. Kaavakuva happimallista Kasviplanktonmallin kuvaus Ekosysteemimalli (Inkala 21) on rakennettu vedenlaatumallin sisältämän peruslaskennan yhteyteen siten, että vedenlaatumallin muuttujiksi on asetettu leville käyttökelpoiset ravinteet ja eri leväryhmät. Ryhmien vuorovaikutukset ja riippuvuudet ulkoisista tekijöistä ovat monimutkaisia, ja ne on kuvattu vedenlaatumalliin yhdistetyssä ekosysteemimalliosiossa, joka kasviplanktonia laskettaessa korvaa Kuvassa alla mallin tärkeimmän muuttujat ja vuorovaikutukset. 9

11 N-kuorma P-kuorma DINN DIPP Ravinteiden kierrätys ALG1 Kasvu Hävikki ALG2 NDET PDET Sedimentaatio Kuva 4. Ekosysteemimallin rakenne, laskentamuuttujat ja tärkeimmät prosessit. Ekosysteemimallin tärkeimmät muuttujat ovat: DIPP leville käyttökelpoinen fosfori. Fosfori on Lohjanjärvellä tärkein levien kasvua rajoittava ravinne. DIPP:nä käytetään mitattua suodatettua PO 4 pitoisuutta tai sitä voidaan arvioida kokonaisfosforipitoisuuksista. Piste- ja jokikuormitusten osalta käytettiin kokonaisfosforipitoisuuksia, jotka kerrottiin päästölähteestä riippuvalla käyttökelpoisuuskertoimella. DINN leville käyttökelpoinen typpi. Typen merkitys levien kasvua rajoittavana ravinteena on Lohjanjärvellä lähes merkityksetön, sillä liukoisen typenpitoisuudet ovat tyypillisesti satoja g/l kaikkialla järvessä ja koko kasvukauden ajan.. DINN on yleensä epäorgaanisten liukoisten typpiyhdisteiden summa (NO 2 +NO 3 +NH 4 ), mutta pistekuormittajista tulevien päästöjen mukana on usein myös orgaanisiin aineisiin sitoutunutta typpeä, joka voi muuttua leville käyttökelpoiseksi. Pistekuormitusten osalta käyttökelpoisen typen osuus arvioitiin kokonaistyppipitoisuuksien ja käyttökelpoisuuskertoimien avulla. ALG1 kasviplankton lukuun ottamatta sinileviä. Suurin osa perustuotannosta on Lohjanjärvellä lähtöisin ALG1- muuttujasta. Kasviplanktonin kasvua rajoittaa mallissa ravinteiden saatavuus, valo ja lämpötila, joskin lämpötilan merkitys ALG1-muuttujalle on vähäinen. Kuoltuaan planktonlevät muuttuvat laskennassa detritusravinteiksi (PDET, NDET), jotka vajoavat pohjalle ja sedimentoituvat vakionopeudella. ALG2 Sinilevät eroavat mallissa muista planktonlevistä vain siten, että kasvu ja respiraatio ovat voimakkaasti lämpötilan rajoittamaa, käytännössä merkittävää kasvua ei 1

12 tapahdu alle +1 C lämpötilassa. Merimalleilla käytettyä sinilevien ilmakehän typensidontaa ei Lohjanjärven mallin sinilevillä ole, sillä suurimmaksi osaksi Lohjanjärven sinilevälajit eivät kykene sitomaan ilmakehän typpeä tai typensidontaan ei ole tarvetta, sillä ylimääräistä liukoista typpeä järvessä on paljon. Lisäksi mallissa lasketaan detritukseen (kuolleeseen leväbiomassaan) sitoutuneita ravinteita, jotka vaikuttavat ekosysteemin sisäiseen ravinteiden kierrätykseen sekä ravinteiden sedimentoitumiseen. Sitoutuneita ravinteita kuvaavat muuttujat: NDET detritustyppi PDET detritusfosfori Sedimenttimallin kuvaus Sedimenttimalli on kasviplanktonmallin lisämoduli, jonka avulla pyritään mallittamaan sisäistä kuormitusta sekä liitetään hapen ja kasviplanktonin väliset vuorovaikutukset malliin. Se sisältää seuraavat osaprosessit. 1) Kuolleen orgaanisen aineen (detrituksen) vajoaminen kohti pohjaa ja varastoituminen sedimenttiin. 2) Orgaanisten ravinteiden (detritus) mineralisoituminen osittain takaisin liukoiseen. 3) Denitrifikaatio; Nitraattitypen muuttuminen hapettomissa olosuhteissa typpikaasuksi ja palautuminen ilmakehään. 4) Fosforin kemiallinen sitoutuminen sedimenttiin erityisesti rautaan. ) Kemiallisesti sitoutuneen fosforin vapautuminen hapettomissa oloissa sisäisenä kuormituksen veteen. Happitilanne sedimentin pintakerroksessa lasketaan hiilen mineralisaationopeudesta eli CO2 vuosta veteen, joka edelleen riippuu biologisesti aktiivisen hiilen määrästä sedimentissä ja lämpötilasta (bakteeritoiminnan aktiivisuus). Jos hiilidioksidi vuo on suurempi kuin hapen diffuusio vedestä sedimenttiin, muuttuu sedimentti anaerobiseksi, jolloin denitrifikaatio ja sisäinen kuormitus alkaavat ja fosforin kemiallinen sitoutuminen loppuu. Hapellisissa olosuhteissa fosforin kemiallinen saostuminen pohjan ravinnevarastoon jatkuu, eikä sisäistä kuormitusta tapahdu. 11

13 CO2 N2 DIP DIN Vesi Sedimentti 7 PFE 6 4 PDET CDET NDET O PDET CDET NDET Kuva. Sedimenttimallin rakenne, laskentamuuttujat ja pääprosessit: 1 vajoaminen, 2 sedimentoituminen pohjalle, 3 hautaantuminen 4, mineralisaatio, denitrifikaatio, 6 kemiallinen sitoutuminen, 7 sisäinen kuormitus ja 8 detrituksen hapenkulutus Syöttötiedot Lohjanjärvellä Virtausmalli Virtausmittauksiin vertailtaessa virtausmallissa käytettiin ajanjaksojen todellisia sääpakotteita tuulen suuntaa ja nopeutta, ilman lämpötilaa ja säteilyä. Säädataa saatiin Lohjan kaupungilta, Oravannahkatorin mittarista sekä Suomusjärven ja Helsinki-Vantaan mittausasemilta. Jokien tulovirtaamina huomioitiin Väänteenjoki, Nummenjoki, Karstunjoki sekä Outamonjärveen ja Haudavedelle laskevat ojat. Virtaamien suuruudet saatiin Suomen ympäristökeskuksen HBV-mallista. HBV-mallilla tehdään reaaliaikaisia vesistöennusteita ja sitä sovelletaan suurelle osalle Suomen vesistöistä. Toisin kuin HBV-malli virtausmalli ei ota huomioon vedestä tapahtuvaa haihduntaa eikä sadantaa. Tämän takia Peltokosken virtaaman sijaan mallissa käytettiin tässä kohden reunaehtona vedenkorkeutta, jolloin vesimäärä eli pinnankorkeus Lohjanjärvellä tuli kuvatuksi tarkemmin simuloinnin aikana. 12

14 Vedenlaatumalli Staattisia virtauskenttiä laskettaessa todellisia säätietoja ei käytetä vaan virtauksia lasketaan esim. m/s lounaistuulella niin kauan, kunnes virtausvaihtelut vaimenevat riittävän pieniksi. Vastaavat simulaatiot tehtiin luoteistuulelle ja jokivirtaamille, joka jälkeen näitä kenttiä lineaarisesti yhdistelemällä minkä tahansa tuuli ja virtaamatilanteen aiheuttamat virtaukset voidaan arvioida. Vertikaalista sekoittumista tietyn rajapinnan läpi voidaan vielä jälkikäteen muuttaa, mikäli esimerkiksi numeerisista syistä sekoittuminen kentässä on liian suurta. Vedenlaatumallissa virtausmallin syöttötiedoista tarvitaan välttämättä vain tuulen suunta ja nopeus sekä Peltokosken virtaama. Muiden jokien virtaamat tulevat huomioiduksi suhteessa Peltokoskeen. Lohjanjärven vedenlaatumallissa ei lasketa pinnankorkeuden muutosta, joten tulo- ja lähtövirtaamat ovat tasapainossa. Keskimäärin jokien virtaamasuhteet tulevat mallissa huomioiduksi, muttei poikkemaa keskiarvosta. Peltokosken virtaama on saatu Suomen ympäristökeskuksen HBV mallin simulointituloksista. Kasviplanktonmalli tarvitsee vielä lisäksi säteilytiedot. Veden lämpötilan laskennan sijaan vedenlaatumallissa käytetään suoraan vedestä mitattuja lämpötiloja. Olosuhdetietojen lisäksi jokaisesta laskentamuuttujasta tarvitaan kuormitukset. Joista tulevat kuormitukset arvioitiin mitattuhin pitoisuuksiin ja virtaamiin sovitetun regressiomallin avulla ja lähivaluma-alueen kuormitus arvioitiin Karstunjoen laskettujen kuormitusten ja VEPS-järjestelmästä saadusta valuma-alueiden kuormitussuhteista. Ympäristöhallinnon Vahti-tietokannasta saatiin yhdyskuntien (Pitkäkoski, Pitkäniemi, Karjalohja, Kisakallio) ja teollisuuslaitosten (M-real, Loparex, Vivamo) kuormitukset Yhdistäminen valuma-aluemalleihin Valuma-aluemallit (Lauri 2) ja järvimalli eivät ole vuorovaikutuksessa keskenään laskennan aikana. Valuma-aluemallien tuloksia voidaan hyödyntää vedenlaadun laskennassa samalla tavoin kuin virtausmallien esilaskettuja virtauskenttiäkin, antamalla niitä syöttötietoina vedenlaatumallille. Valuma-aluemalleista saadaan laskettua virtaamat sekä jokien tulopitoisuuksia, jotka kertomalla saadaan kuormitus. Valuma-aluemallin laskemat kuormitukset eivät kuitenkaan ollet oleellisesti regressiomallin antamia tuloksia parempia, joten niitä ei käytetty. Valuma-alueella tapahtuvien toimenpiteiden vaikutukset saadaan virtaama- ja kuormitusmuutoksina. Näiden muutosten vaikutukset järvialueella voidaan simuloida vedenlaatumallilla. Tällöin myös vertailun alkutilanteen laskennassa täytyy käyttää valuma-aluemallin laskemia kuormituksia. 13

15 2.2 Virtausmittaukset Mallityön yhteydessä tehtyjä virtausmittauksia käytettiin virtausmallin kalibrointiin ja validointiin. Lohjanjärvellä tehtiin kaksi virtausmittaus jaksoa vuosina 21 ja 22 kahdeksalla mittauspisteellä. Mittauspisteiden sijainti on esitetty kuvassa 6. Kuva 6. Virtausmittauspisteet Lohjanjärvellä 21 ja 22 sekä tulo- ja lähtövirtaamat sekä pinnankorkeusasema, joiden arvoja käytettiin virtausten regressioanalyysissä. Mittausjaksolla käytettiin neljää eri tyyppiä olevia virtausmittareita. 3 kappaletta RCM4:ää, 1 RCM7:n, 6 RCM9:ää ja yksi 2D-ACM. Mittarit RCM4 ja RCM7 perustuvat mekaaniseen pyörimisliikkeeseen sekä evään ja RCM9 sekä 2D-ACM ovat akustisia mittareita, joissa virtausmittaus saadaan heijastuneesta äänestä ja Doppler ilmiöstä. Kaikki käytetyt mittarit tallettavat datan digitaalisesti mittarin muistiin. Mitatut virtaukset analysoitiin lineaariregression avulla, jossa selittävinä muuttujina olivat tuulen pohjois- ja itäkomponentit. Tuulimittauksia käytettiin kolmelta mittausasemalta ilmatieteenlaitoksen mittausasemilta Suomusjärveltä (noin 1 km luoteeseen), Helsinki-Vantaan lentokentältä (noin km itään) sekä Lohjan kaupungin 14

16 mittausasemalta Oravannahkatorilta. Fortumin vedenkorkeusmittauksia Virkkalan mittarilta sekä Fortumin virtaamia Peltokosken voimalalta ja Helsingin Veden virtaamia Väänteenjoen padolta käytettiin lisäksi selittävinä tekijöinä virtausten itä- ja pohjoiskomponenteille. Molemmilla mittausjaksoilla tuuli on keskimäärin noin 2 m/s tuullen enimmäkseen etelälounaasta vuonna 21 ja pohjois-koillisesta 22, maksimi tuulennopeudet olivat noin 6 m/s. Eri mittausasemilla mitatut tuulet korreloivat vahvasti keskenään, joten johtopäätökset tuulen vaikutuksesta olivat samoja. Korrelaatiot vaihtelivat välillä eri mittausasemien tuulen pohjois- ja itäkomponenteille laskettuna. Lohjanjärvi on säännöstelty, joten veden korkeudessa ei tapahtunut mittausjaksoilla kovin suuria muutoksia. Keskimääräisinä vuosina vedenkorkeus putoaa tasaisesti kesän aikana ja alkaa jälleen nousta syyssateiden alkaessa, mutta säännöstelyrajojen sisällä dynamiikan ei tarvitse noudattaa sadannasta luonnollisesti syntyvää dynamiikkaa. Vaihteluväli vuoden 21 mittausjaksolla oli 23 cm ja vuonna 22 7 cm. Lohjanjärveen laskee kuusi puroa tai jokea, joista suurin virtaus tulee järven koillisosaan keskimäärin 13.3 m3/s Väänteenjoen ja Nummenjoen kautta. Muiden tulojokien yhteenlasketun virtaaman ollessa noin 1 m3/s. Ainoa laskujoki virtaa Peltokosken voimalan kautta järven eteläosasta keskimäärin 17.7 m3/s. Taulukko 1. Tilastotietoja virtausmittauksista pisteittäin; mittaus- ja kokonaissyvyys (m), mittaus jakso, keskivirtaama, nopeuden hajonta, maksimivirtaus sekä virtauksen pohjoisja itäkomponentit (cm/s) Mittaus- keski- nopeuden max Piste syvyys Syvyys Mittaus jakso virtaus hajonta virtaus VP VI (m) (m) (cm/s) (cm/s) (cm/s) (cm/s) kesä - 2 elo kesä - 2 elo kesä - 9 elo kesä - 9 elo kesä - 2 elo kesä - 2 elo kesä - 2 elo kesä - 9 elo kesä - 9 elo kesä - 9 elo kesä - 9 elo syys - 3 loka syys - 3 loka syys - 3 loka syys - 3 loka syys - 3 loka syys - 3 loka

17 Taulukko 2. Vuoden 21 regressioyhtälöt. VRK-keskiarvoilla Suomusjärven tuulet tuuliviive ja vkviive piste vakio tn te Q dw R 2 kommentti 1 VN VE VN X 12 VE lievästi X, liev harh. VN lievästi X, liev harh. 1 VE VN VE lievästi X 8 VN lievästi X, heterosked 81 VE ei regressiomallia 9 VN lievästi X 91 VE X 9 VN lievästi X 92 VE VN X, heteroskedastinen 11 VE lievästi X 11 VN lievästi X 111 VE X 11 VN heteroskedast. 112 VE X 11 VN X, liev harhainen 113 VE X Taulukko 3. Vuoden 22 regressioyhtälöt. VRK-keskiarvoilla Suomusjärven tuulet tuuliviive ja vkviive piste vakio tn te Q dw R 2 kommentti VN lievästi heteroskedastinen 1 VE lievästi X VN lievästi X 2 VE lievästi X 12 VN VE lievästi X 12 VN lievästi X, lyhyt jakso 122 VE X 13 VN X 131 VE X 13 VN lievästi X 132 VE lievästi X Q dw vitaama Peltokosken voimalassa vedenlorkeuden vuorokausierotus Virkkalassa Harhainen regressiomalli Heteroskedastisuus ei ole vakio X = esim. riippuvuus ei lineaarista = regressiomalliin liittyvän satunnasvaihtelun keskihajonta = residuaalit eivät ole täysin normaalisti jakautuneita 16

18 Taulukossa 1 on esitetty mittaussyvyydet, -jaksot sekä joitakin tilastosuureita mittauksista. Keskimäärin virtausnopeudet olivat pieniä, useimmilla pisteillä noin 3 cm/s. Vain Lohjanjärvestä Outamonjärveen yhdistyvässä salmessa virtausnopeudet olivat selvästi suurempia, keskimäärin 11.2 cm/s. Taulukon virtauskomponentit on laskettu erikseen jokaisesta virtausmittauksesta, joten ne kertovat enemmänkin keskimääräisestä suunnasta. Komponenttien keskiarvot ovat selvästi virtausnopeuden keskiarvoja pienempiä, joten virtauksen suunta vaihtelee pisteillä paljon. Regressioanalyysi osoitti, että niillä pisteillä, joilla tulo- ja lähtövirtaamalla tai pinnankorkeudella oli tilastollisesti merkittävää vaikutusta, vaikutuksen taso oli samaa suuruusluokkaa tuulen vaikutuksen kanssa. Vain kolmella pisteellä (piste, 6.m, vuonna 21; piste 9, 2 m ja piste 13, 1.m) joko toinen tai molemmat tuulen komponentit olivat ainoat tilastollisesti merkittävät suureet. Outamonjärvestä tulevassa salmessa pisteellä 8 Lohjanjärven tulo- ja lähtövirtaamat selittivät mittauksia paremmin kuin tuulet. Sekä virtaamat pisteellä että selittävät tulo- ja lähtövirtaamat riippuvat luonnollisesti sadannasta, mikä selittänee suurelta osin havaitun riippuvuuden. Kaikenkaikkiaan tuulet, virtaamat ja vedenkorkeudet selittivät noin 4% virtausmittauksista, selitysasteet (R2) vaihtelivat välillä Mikä ei ollut kovin yllättävää, kun ottaa huomioon järven mutkikkaan muodon. Virtausmallin ja regressiomallien vertailusta enemmän kappaleessa Vedenlaatumittaukset Mallin toimivuutta voidaan arvioida sen kyvyllä tuottaa todellisuutta vastaavia simulointituloksia. Todellisen tilanteen arviointiin voidaan käyttää kirjallisuudesta löytyviä yleisluonteisia kuvauksia, pistemittauksia sekä satelliittikuvia tai liikkuvasta aluksesta tehtyjä mittauksia. Mitä paremmin alueen pitoisuudet ja niiden dynamiikka tunnetaan sitä paremmin oleelliset prosessit pystytään ottamaan mallissa huomioon ja kalibroimaan mallin parametrin parhaiten simuloitavaa aluetta kuvaaviksi Tarkkailuohjelma Lohjanjärven vedenlaatua mitataan intensiivisesti pistekuormittajien velvoitetarkkailussa ja lisäksi Uudenmaan ympäristökeskus järveltä seurantanäytteitä, mutta projektin aikana seuranta oli vielä tavallista laajempaa. Kuvassa 7 on esitetty vedenlaadun mittauspisteet ja kuormituslähteet. Mallinnuksessa käytettävistä muuttujista mitattiin lämpötila, kokonais- ja liukoiset muodot typpi- ja fosforiravinteista, kiintoaine, sameus, natrium, happi sekä biologinen ja kemiallinen hapen kulutus. Mittauksia tehtiin kaikista pisteistä pinta- ja pohjakerroksesta sekä syvimmiltä mittauspisteiltä myös välikerroksista. Intensiivisimmin mittauksia tehtiin 17

19 Karstunlahden 24,62, Isoselällän 91, Aurlahden 3, Hermalanselän 27, Hållsnäsfjärdenin 291 mittauspisteillä noin kahden viikon välein. Intensiivimittauspisteillä laskettiin myös kasviplanktonbiomassat, minkä lisäksi pisteillä 291 ja 3 ottettiin viikoittaiset näytteet juhannuksesta seuraavasta viikosta aina lokakuun lopulle asti, joista määritetään vain valtalajit. Kasviplanktonbiomassaa arvioitiin myös klorofylli-a mittauksista. Nummenjoki Väänteenjoki Kisakallio 4 Kisakallio Karstunjoki Hossa 2 Karjalohja 62 Ontamojärveen Karjalohja 24 Ristiselkä Loparex Pappilanselkä 3 Karjalohja Karkalinniemi 77 Isoselkä 91 Liessaari 1 Aurlahti 3 Pitkäniemi Vivamo Isoselkä 16 Ristisalmi 64 Puujärvi Ahtialanselkä Hermalaselkä 27 Ahtialanselkä 28 Hållsnäsfjärden 29 Härkäsaari 78 Virkkala 8 Hållnäsfjärden 31 M-real Peltoniemi Hållnäsfärden 33 Kyrköfjärden 3 Kyrköfjärden 291 Temp Radi Flow wind Bruksträsket 2 Kuva 7. Tarkkailuohjelman mukaisten mittauspisteiden (keltainen laatikko), kuormituspisteiden (punainen ruutu) ja tulojokien (vihreä kolmio) sijainti Lohjanjärvellä 18

20 2.3.2 Vapaaehtoisseuranta Karjaanjoki-Life hankkeessa toteutettiin poikkeuksellisen laajaa vapaaehtoisseurantaa järven tilasta. Vapaaehtoisseurannassa paikalliset mökkiläiset ja asukkaat tekivät mittauksia näkösyvyydestä ja arvioivat kasviplanktonin määrää. Seurannassa saatiin sekä ajan että paikan suhteen tiheitä mittausaikasarjoja, joista voitiin paremmin arvioida näkösyvyyden vaihteluja myös mittauspisteiden välisillä alueilla. Paikallisesti tiheä mittaukset ovat erityisen tarpeellisia myös verrattaessa tuloksia satelliittikuviin, jotka myös kuvaavat koko järvialueen kerralla. Kuvassa 8 on esitetty vapaaehtoisseurannan mittauspisteet. FlowindTemp Radi Kuva 8. Vapaaehtoisseurannan mittauspisteet vuonna 22 19

21 2.3.3 Satelliittikuvat Vuodelta 22 saatiin kaksi satelliittikuvaa 2.. ja 9.9. Satelliittikuvista voitiin arvioida sameutta pintakerroksessa. Satelliittikuvien etuna on runsas datamäärä tietyltä ajan hetkeltä, jolloin niistä saadaan tietoa pitoisuuksien jakautumisesta järven eri osissa tehokkaasti. 3 Tulokset 3.1 Mallin kalibrointi ja validointi Jokaisella sovellusalueella mallin simuloimia tuloksia verrataan saatavissa oleviin mittaustuloksiin. Yhteensopivuutta todellisuuden kanssa pidetään mallin hyvyyden mittana. Ympäristö ja luonto ovat mallinnettavina asioina vuorovaikutuksiltaan monimutkaisia ja kuhunkin tilanteeseen vaikuttavia tekijöitä on paljon. Mallissa kaikkea ei voida, eikä tarvitsekaan huomioida. Malleilla pyritään yksinkertaistamaan syy-seuraus suhteita ja simulointiin otetaan mukaan vain oleellisimmat tekijät. Erilaisilla alueilla ja eri ajankohtina eri tekijät ja malliparametrit ovat oleellisia simuloinnin kannalta. Esimerkiksi fosforirajoitteisessa järvessä fosforin kierron kuvaaminen on kasviplanktonin kasvun kannalta tärkeämpää kuin typpirajoitteisella alueella ja päinvastoin. Kiintoaineen vajoaminen ja sedimentoituminen riippuu kiintoaineen ja pohjan laadusta, jotka vaihtelevat eri sovellusaluella. Mallin kalibroinnilla tarkoitetaan sovelluskohtaisten parametrien määrittelyä. Se tapahtuu lähtemällä keskimääräisistä arvoista, vertailemalla simuloituja tuloksia mittauksiin ja muuttamalla arvoja niille sopivissa vaihteluväleissä, kunnes parametrien muuttaminen ei enää oleellisesti paranna tuloksia. Kalibroinnin yhteydessä usein löytyy alueita, joissa jokin laskentamuuttuja ei sovi kovin hyvin mittaustuloksiin. Tällöin syynä on usein se, että jotakin vain tälle alueelle ominaista ilmiötä ei mallissa ole onnistuttu kuvaamaan oikein tai sitä ei mallissa ole. Tyypillisiä pienellä alueella vaikuttavia ilmiöitä ovat jokien tuoman samennuksen vaikutukset jokien suu-alueilla kasviplanktonin kasvuun, pohjasta irtoavan aineksen vaikutukset hyvin matalilla alueilla ja sisäisen kuormitukset jyrkät ajalliset ja paikalliset vaihtelut. Jos ongelmallinen ilmiö tai alue on tutkimuksen tavoitteiden kannalta tärkeä täytyy mallin prosesseja muuttaa tai asettaa ylimääräisiä kuormituksia/paikallisia kertoimia ja aloittaa kalibrointi alusta. Muussa tapauksessa voidaan siirtyä mallinnuksen seuraavaan vaiheeseen, tavoitteista riippuen joko skenaarioiden laskentaan tai validointiin. 2

22 Validoinnilla tarkoitetaan mallin toimivuuden testaamista, kun parametrit on sovitettu alueen mukaan edellisessä kalibroitivaiheessa. Validointia varten tarvitaan uutta mittausdataa, jota kalibrointivaiheessa ei ole käytetty. Validointidataksi voidaan joko jättää osa olemassa olevasta datasta tai käyttää tulevien vuosien dataa, jota kalibrointivaiheessa ei vielä ollut edes saatavilla. Myös validointivaiheessa voi selvitä asioita, jotka edellyttävät muutoksia joko malliin tai parametreihin, jolloin mallikehityksessä on otettava askelia taaksepäin. Lohjanjärven kalibrointi ja validointituloksista enemmän seuraavissa eri osatekijöihin keskittyvissä kappaleissa. 3.2 Mallihila Ensimmäinen vaihe mallisovelluksen tekemisessä on mallihilan luominen. Mallin resoluutio määräytyy sen mukaan, minkä kokoisissa mallihilassa käytetyt hilakopit ovat, joten hilakopeista kannattaa tehdä mahdollisimman pieniä. Sopiva hilakoko määräytyy käytettävissä olevan tietokonekapasiteetin mukaan. Rajoittavina tekijöinä tulevat vastaan keskusmuistin suuruus ja simulointiin tarvittavan ajan pituus. Mallihila luodaan digitaalisessa muodossa olevasta syvyysdatasta, joka joko digitoidaan itse paperimuodossa olevista merikorteista tai suunnitelmista, käytetään valmiiksi digitaalisia karttoja tai syvyysmittauksia. Lohjanjärveltä oli käytössä tarkkoja syvyysluotauksia, joista mallihila voitiin tehdä. Kuva 9. Luotausdataa Isoselältä. Sinisellä alueella syvyys on noin metriä ja violetilla metrien suuruusluokkaa. Harmaa alue on maata ja valkoinen vettä, pisteestä, josta ei ole luotausdataa. Pinnan tasona on N

23 Vesipisteiden, joista ei suoraan ollut luotaustietoa, syvyysarvot interpoloitiin tai extrapoloitiin lähimpiä luotaus- tai maapisteistä käyttäen. Tarkasta noin metrin tarkkuudella tehdystä pohjahilasta saatiin lopullinen laskentahila yhdistelemällä pisteitä. Maapisteiden osuuden täytyi olla alle %, jotta hilaruutu olisi vesipiste laskentahilassa ja pienin mahdollinen syvyys laskentahilassa oli määritelty 3 senttimetriksi. Kuva 1. Lohjanjärven 7 m horisontaaliresoluution laskentahila Lohjanjärven laskentahila koko Lohjanjärven pohjoisesta Maikkalanselältä etelään Peltokosten voimalaitokselle ja lännestä Kastunlahdelta ja Haudanvedeltä itään Pappilanselälle. Hilassa horisontaalinen erotustarkkuus on kaikkialla 7 metriä. Vertikaalinen erotustarkkuus vaihtelee siten, että se on pinnalla tarkempi ja suurenee pohjaa kohti mentäessä. Kerrosrajojen syvyydet ovat 1, 2, 4, 7, 1, 13, 18, 2, 4 metriä ja pohja. 22

24 3.3 Virtauslaskenta Vedenlaadun laskentaa varten virtausmallilla laskettiin jokivirtaamien sekä kahden tuulensuunnan (koillinen ja kaakko) synnyttämät virtaukset järvellä. Kuvassa 11 on esitetty kaikkien tulo- ja lähtöjokien keskimääräisillä virtaamilla syntyvät virtausnopeudet Lohjanjärvellä. Kuva 11. Keskimääräisten jokivirtaaminen (Peltokoski 17.6 m3/s) aiheuttama virtauskenttä Lohjanjärvellä pintakerroksessa. Hilakopin mittainen virtausnuoli vastaa nopeutta 1 mm/s. Jokivirtaamat Lohjanjärvellä ovat suurimpien tulo (Nummenjoki ja Väänteenjoki) ja lähtö (Peltokoski) jokien dominoimia. Nämäkin aiheuttavat vain tulo- ja lähtöuomien salmissa ja kapeikoissa suuruusluokaltaan 2-4 cm/s virtauksia. Lohjanselällä virtaus jakaantuu tasaisemmin myös syvemmälle, joten jokien aiheuttamat virtausnopeudet ovat pieniä. Jokivirtaus poistuu Isoselältä pääosin Isosaaren eteläpuolelta Jalassaaren molemmin puolin, mutta myös Isosaaren pohjoispuolelta kiertää suuruusluokaltaan 1 mm/s oleva virtaus. Tulva-aikaan jokivirtaamat voivat olla n. 4- kertaisia. 23

25 Lohjanjärven erikoisuutena virtauslaskennan kannalta on M-realin paperitehdas ja sen jätevesien vaikutukset virtauksiin. Jätevesi on puhdasta vettä raskaampaa, joten se vajoaa pohjalle. Syntynyt kerrostuneisuus yhdessä sopivan jokivirtaaman kanssa aiheuttaa Hållsnäsfjärdiin pohjoisen suuntaisen pohjavirtauksen (Virtanen 2). Kuvassa 12 on esimerkki tästä ilmiöstä. Kuva 12. M-realin jätevesien tiheyserojen ja jokivirtaamien aiheuttama virtaus Kyrkofjärden ja Hållsnäsfjärden alueella 4-7 metrin syvyydessä. Kesäaikaan tuulet ovat pääasiallisia virtausten aiheuttajia Lohjanjärvellä. Tyypillisesti tuuli aiheuttaa pintakerrokseen tuulen suuntaisen virtauksen ja syvemmälle syntyy päinvastainen paluuvirtaus. Syvällä ja myös rantojen lähellä virtaus usein on tuulen suuntaista. Kuvassa 13 ja 14 on esitetty ilmiötä Lohjanjärvellä. 24

26 Kuva 13. Koillistuulen m/s aiheuttama virtauskenttä pintakerroksessa (-1 m). Hilakopin mittainen virtausnuoli vastaa virtausnopeutta 1 cm/s. 2

27 Kuva 14. Koillistuulen m/s aiheuttama virtauskenttä mallihilan kerroksessa 7 (13-18 m). Hilakopin mittainen virtausnuoli vastaa virtausnopeutta 1 cm/s. 26

28 3.3.1 Virtauskenttien vertailu regressiomallin virtauksiin Laskettuja virtauskenttiä voidaan verrata myös regressiomallilla laskettuihin virtauksiin. Mielekkäintä vertailu on sellaisilla mittauspisteillä, joilla virtausnopeudet korreloivat hyvin tuuliin tai jokivirtaamiin. Kuvissa 1 ja 16 on esitetty muutamia regressiomallin parhailla pisteillä laskettuja ja virtausmallilla simuloituja virtauksia. Karkalinniemen edustalla pisteellä 9 ja Aurlahden edustalla pisteellä 1 pintavirtauksen suunta on hyvin saman suuntainen ja suuruinen kuin simuloitukin virtaus. Pisteellä 13 regressio ja simuloitu mittaus eivät vastaa toisiaan. Tällä pisteellä myös regressiomallin selitysasteet eri virtauskomponenteille olivat huonot alle.2. Kuva 1. Pintavirtauskentän ja regressioyhtälöillä (pisteet 13 vasen ja 9 oikea) laskettujen virtausten (punainen pinta, sininen pohja) vertailu Karkalinniemen edustalta. Tuuli on kaakosta m/s. 27

29 Kuva 16. Pintavirtauskentän ja regressioyhtälöillä (piste 1) laskettujen virtausten (punainen pinta, sininen pohja) vertailu Aurlahden edustalta. Tuuli on kaakosta m/s. Kuva 17. Pintavirtauskentän ja regressioyhtälöillä (piste ) laskettujen virtausten (punainen pinta, sininen pohja) vertailu Hållsnäisten niemen edustalta. Tuuli lounaasta m/s. Toinen samanvärisistä nuolista on vuoden 21 ja toinen 22 mittauksista. 28

30 Yleensäkin regressiomallin tulosten vertailu muilla menetelmin saatuihin virtauksiin on mielekästä vain pisteillä, joilla regressiot ovat hyviä, mutta näihinkin tuloksiin täytyy suhtautua varauksellisesti varsinkin, jos mittausjaksot ovat lyhyitä. Kuvassa 17 on esitetty pisteeltä laskettuja regressioita sekä simuloituja virtauksia. Eri vuosilta lasketut regressiovirtaukset ovat lounaistuulella lähes päinvastaiset toisiinsa nähden sekä pinnalla että pohjalla, vaikka virtauksen pohjoissuuntaiselle komponentille korrelaatiot molempina vuosina olivat melko hyvä Virtausmittauksista ei tällä pisteellä voi päätellä juuri muuta kuin sen, että pinnalla ja pohjalla virtaukset ovat päinvastaisiin suuntiin, mikä sekin on tärkeä tieto Virtauslaskennan vertailu mittausaikasarjoihin Vedenlaatumallissa käytetään eri tuulille ja jokivirtaamille laskettuja stabiileja virtauskenttiä, joiden avulla lasketaan kulkeutuminen vedenlaatumallissa. Siksi on mielekkäintä tehdä myös aikasarjavertailut näillä kentillä. Stabiileissa virtauskentissä ainoana selittävänä tekijänä on joko tuuli tai jokivirtaus, joten paras yhteensopivuus mittaustulosten kanssa syntyy niillä pisteillä, joilla myös regressiomallissa tuuli ja jokivirtaus selittävät hyvin virtauksia. Kuvissa 18-2 on vertailtu kolmen pisteen 1, ja 9 (pisteiden sijainnit löytyvät kuvasta 6) sekä pinta- että pohjamittauksia mallilla laskettuihin tuloksiin. Pisteellä 1 vastaavuus on paras. Virtausnopeudet ovat oikeaa suuruusluokkaa ja useilla ajanjaksoilla virtaussuunta tasaantuu lounaan suuntaiseksi sekä mittauksissa että mallissa. Lohjanjärveltä Hållsnäsfjärdiin laskevassa salmessa pisteellä virtauksen suunta vaihtelee salmen suuntaisesti ja on pääasiassa pinnalla eri suuntainen kuin pohjalla sekä mallissa että mittauksissa. Mallissa virtaussuunnan vaihtumiset ovat kuitenkin harvinaisempia, mikä selittynee paikallisilla tuuliolosuhteilla. Lohjanjärvellä on useita kapeahkoja ja pitkiä salmia, joiden rannat joko suojaavat tai ohjaavat tuulta salmen suuntaiseksi. Salmessa havaittava tuuli voi poiketa sekä suunnan että nopeuden osalta Lohjan kaupungilta mitatusta referenssituulesta, mikä voisi selittää asiaa. Pisteellä 9 mallinnettu virtauksen nopeus on pinnalla samaa suuruusluokkaa mitatun kanssa, mutta pohjalla hitaampaa. Pohjalla mitatut virtassuunnat vaihtelevat enimmäkseen lounas-koillinen akselilla. Mallilla simuloidut virtaukset vaihtelevat saman dynamiikan mukaan, mutta virtaussuunnat ovat kääntyneet enemmän itä-länsi suuntaan. Erot voivat selittyä erilaisilla syvyyksillä. Vaikka mallin erotustarkkuus onkin suhteellisen hyvä 7 m, Lohjanjärven kapeisiin salmiin mallissa syntyvät uomat saattavat hyvinkin poiketa kymmeniä asteita joillakin pisteillä. 29

31 Kuva 18. Virtausnopeus (cm/s) ja suunta pisteellä 1. Musta on mittaus ja harmaa mallisimulointi Kuva 19. Virtausnopeus (cm/s) ja suunta pisteellä. Musta on mittaus ja harmaa mallisimulointi 3

32 Kuva 2. Virtausnopeus (cm/s) ja suunta pisteellä 9. Musta on mittaus ja harmaa mallisimulointi 3.4 Vedenlaatu Myös vedenlaadun laskennassa ensimmäisenä tehtävänä on mallitulosten varmistaminen ja vertailu todellisuuteen. Vuorovaikutuksettomat ja liukoiset muuttujat toimivat myös varmistuksena kulkeutumislaskennan oikeellisuudesta. Niiden avulla saadaan lasketuksi jakaumia, jotka kuvaavat keskimääräistä kulkeutumista alueella. Happi- ja kasviplankton malleissa vuorovaikutukset ovat oleellisia. Todellisesta tilanteesta saadaan tietoa mittauksin. Mittauksia voidaan tehdä joko suoraan tutkittavasta muuttujasta tai mittaamalla jotain muita muuttujia (esim. klorofylli-a biomassa tai näkösyvyys kiintoaine, sameus, biomassa), joka kuvaa simuloitavaa suuretta. Satelliitti- ja ilmakuvista saadaan kattavampia 2D jakaumakuvia niistä aineista, jotka näkyvät kuvauksessa käytetyillä aallonpituuksilla. Seuraavissa kappaleissa on tehty vertailuja simuloitujen ja eri keinoin mitattujen datojen kanssa Suorat mittaukset Vuorovaikutuksettomat aineet Vuorovaikutuksettomilla aineilla tarkoitetaan tässä yhteydessä aineita, jotka eivät mallissa reagoi muiden laskentamuuttujien kanssa. Tällaisia muuttujia ovat esimerkiksi kiintoaine, sameus, kokonaisravinteet, natrium ja jätevesipitoisuudet. Todellisuudessa kasviplanktonin kasvu vaikuttaa kokonaisravinnepitoisuuksiin ja sameuteen sekä kiintoainepitoisuus sameuteen ja näin ollen nämä muuttujat ovat todellisuudessa 31

33 vuorovaikutuksessa keskenään, mutta tässä yhteydessä nämä vuorovaikutukset on mallista yksinkertaistettu pois. Vedenlaatumallissa myös hydrodynamiikka on yksinkertaisempaa. Pinnankorkeuden heilahteluja ja muutoksia ei lasketa, vaan kaikki tulojoista tuleva vesi virtaa myös Peltokoskesta pois. Pinnakorkeus mallissa pysyy vakiona, joka on N m eli peruskarttojen ja luotausten pinnankorkeus. Vertailuissa simuloinnit ovat vuoden mittaisia jaksoja, joissa alkutilanne on arvioitu kevään ja alkutalven mittauksista. Kuvissa on aina esitetty kaikki kolme simulointijaksoa peräkkäin. Olosuhdetiedot ovat todellisia vuodelta 22 ja 23. Vuoden 24 tuulet ovat edellisiltä vuosilta, mutta Peltokosken jokivirtaamat samalta vuodelta. Kuormitukset ja veden lämpötilat ovat kaikkina vuosina oikeita. Natriumin suurin kuormittaja Lohjanjärvellä on M-realin paperitehdas, joten natriumpitoisuudet kuvaavat hyvin M-realin paperitehtaan jätevesien kulkeutumista. Sekä mittaus- että mallituloksissa pintaveden pitoisuudet Hermalanselkää kauempana päästölähteestä ovat hyvin lähellä taustapitoisuutta. Keväällä 23 on yksi mittausajankohta, jolloin monilla läntisillä mittauspisteillä (Karstunlahti 24, Karkalinniemi 77 ja Ristisalmi 64) pohjapitoisuus on selvästi korkeampi kuin pinnalla, toisin kuin mallissa /22 1/23 7/23 1/24 7/24 7/22 1/23 7/23 1/24 7/ B /22 1/23 7/23 1/24 7/24 7/22 1/23 7/23 1/24 7/24 Kuva 21. Mitattu ja simuloitu natrium (mg/l) muutamilta Lohjanjärven mittauspisteiltä. Enemmän vertailuja liitteessä 6. Mustat pisteet (mittaukset) ja aikasarjat (simuloinnit) ovat pintakerroksesta ja harmaat pohjalta. 32

34 Vedenlaatumallissa jokien aiheuttama kulkeutuminen lasketaan keskimääräisistä vakiintuneista tilanteista, joten todellisuudessa kulkeutumiseen vaikuttavia hetkellisiä jätevesien tiheysmuutoksia tai jätevesien erilaisia jakaumia ei kulkeutumislaskennassa ole otettu huomioon. Myös mallin 7 m horisontaaliresoluutio ja muutaman metrin vertikaaliresoluutio ovat melko karkeita kuvaamaan Manksön saaren länsipuolista ja Kaurianniemen ja Jalassaaren välistä salmea. Kulkeutumislaskennan yksinkertaistuksista huolimatta Ahtialanselän mittauspisteellä ja Hållsnäsfjärdin pisteellä 29 pintapitoisuuksien dynamiikka kuvautuu melko hyvin. Lähellä kuormituspistettä mitatut pitoisuudet ovat kertaluokkaa suurempia (1-1 mg/l) kuin muilla pisteillä. Myös mallissa pitoisuudet pisteellä 33 ovat selvästi korkeampia, mutta liiallisen sekoittumisen takia mitattuja pienempiä ja vertikaalisuunnassa tasaisemmin sekoittuneita. Natriumpitoisuudet M-realilta Kyrköfjärdenille 291 ja Bruksträsketille 2B kehittyivät mallissa syksyyn asti mittaustulosten tapaan, mutta loppuvuodesta tapahtuvaa pitoisuuden laskua ei mallissa syntynyt. Ilmeisesti M-realin jätevedet kulkeutuvat tuohon vuodenaikaan enemmän pohjanläheisenä virtauksena pohjoiseen päin. Kokonaisfosforin pitoisuudet vastasivat Lohjanjärven pääaltailla Isoselällä, Karstunlahdella, Hållsnäsfjärdillä ja järven lounaisosassa kohtuullisen hyvin mittaustuloksia vuosina 22 ja 23. Vuoden 24 pitoisuustasot olivat mallissa mitattuja korkeampia lähtötilanteen karkean arvioinnin tai mahdollisesti regressiomallista saatavien liian suurten jokikuormitusten takia /22 1/23 7/23 1/24 7/24 7/22 1/23 7/23 1/24 7/ /22 1/23 7/23 1/24 7/ /22 1/23 7/23 1/24 7/24 Kuva 22. Mitattu ja simuloitu kokonaisfosforipitoisuus (g/l) muutamilta Lohjanjärven mittauspisteiltä. Enemmän vertailuja liitteessä 7. Mustat pisteet (mittaukset) ja aikasarjat (simuloinnit) ovat pintakerroksesta ja harmaat pohjalta. 33

35 Maikkalanselän mittauspiste 4 ja Hossan piste 2H kuvaavat jossain määrin myös jokikuormitusten osuvuutta, sillä veden kulkeutuessa näille pisteille sedimentoituminen ei juuri ole ehtinyt vähentää pitoisuuksia. Mallin jokivirtauskentässä on käytetty vakiosuhdetta eri jokien virtaamille. Todellisuudessa jokivirtaamien suhteet voivat vaihdella, mikä joko laimentaa tai vahvistaa jokikuormituksen vaikutusta. Erityisesti Maikkalanselän pisteellä 4 mallin pitoisuudet olivat 24 selvästi mitattuja korkeampia. Mitattuja matalampia simulointituloksia sen sijaan tuli Virkkalanselältä, piste 8. Virkkalanselkä on matalaa ja on todennäköistä, että aallokko nostaa ja sekoittaa pohjasedimenttiä veteen. Mallissa aallokon aiheuttamaa pohjasedimentin sekoitumista ja sen seurauksena tapahtuvaa ravinnekuormitusta ei kuitenkaan ole huomioitu kokonaisravinteita laskettaessa. Lohjanjärven eteläosassa fosforipitoisuudet ovat kohtuullisen hyvin oikealla tasolla. Loppuvuodesta 22 lasketut pitoisuudet ovat pääsääntöisesti mitattuja alempia ja sen jälkeen hieman korkeampia. Lähimpänä M-realin ja Peltoniemen jätevesien purkupaikkoja pisteellä 33 pitoisuuksissa tapahtuu nopeita vaihteluja ja pinta- ja pohjapitoisuuksien välillä on ajoittain suuriakin eroja. Mallissa syntyy liiaksi sekoittumista eikä vertikaalieroja juuri kehity. Keskimäärin pitoisuudet ovat kuitenkin mittausten mukaisella tasolla. Kokonaistypen pitoisuuksissa on monilla mittauspisteillä selvästi havaittavissa vuodenaikaista vaihtelua. Pitoisuudet ovat korkeimmillaan alkutalvesta ja keväällä, jonka jälkeen ne pienenevät kesää ja syksyä kohden sekä mittaus- että mallituloksissa. Keskimäärin kokonaistyppipitoisuudet vaihtelevat vähemmän kuin kokonaisfosforipitoisuudet ja näin ollen myös suhteelliset tasoerot mittausten ja mallitulosten välillä ovat melko pieniä. Vuoden 24 matalampi pitoisuustaso selittyy osittain sillä, että regressiomallin laskema kuormitus on alkuvuodesta ollut jonkin verran mitattua matalammalla tasolla. Myös jokivirtaamien vakiosuhteessa voi vuosien välillä olla joidenkin prosenttien eroja. Tämä näkyy erityisen hyvin Maikkalanselän 4 ja Hossan 2H mittauspisteillä (kuva 23). 34