Kiintoaineen ja humuksen mallintaminen. Markus Huttunen ja Vanamo Seppänen 11/11/2013

Transkriptio

1 Kiintoaineen ja humuksen Nitrogen loading from forested catchments mallintaminen Markus Huttunen ja Vanamo Seppänen 11/11/213 Marie Korppoo VEMALA catchment meeting, 25/9/212

2 VEMALA vedenlaatumalli Malli kuvaa kokonaisia vesistöjä ja koko Suomea Ravinteiden kuormitus vesistöön Ravinteiden pidättyminen ja kulkeutuminen vesistössä Fosfori, typpi, kiintoaines ja humus Ravinnekulkeuman jakautuminen eri lähteisiin Ilmastonmuutoksen vaikutus ravinteiden kulkeutumiseen

3 Hydrologisen kierron malli 3

4 Kiintoaineen ja humuksen mallintaminen Icecream malli turvetuotantoalueen kuormitukselle Vesistön mallintaminen: Kuormituksen eteneminen ja pidättyminen järviketjussa Turvetuotantoalueella: Humuksen (DOC, liukoinen orgaaninen hiili) ja orgaanisen kiintoaineen kuormitus Pintavalutuskentän vaikutus Mallinnettu TOC kuorma n. 335 kg/ha/v Vesistössä: Orgaanisen kokonaishiilen (TOC) kuorma ja pitoisuus TOC=DOC+ 58% orgaanisesta kiintoaineesta Vesistössä lähinnä TOC havaintoja Saarijärven reitti: Koko ainevirtaama vesistöön 25 7 t TOC / vuosi Kuormitus vesistöön turvetuotannosta 139 t TOC / vuosi (5,5%) 4

5 Saarijärven reitin järvet Tarkastelu 3. jakovaiheen vesistöalueiden tasolla. Ei sisällä pieniä järviä. Turvetuotannon osuus järven TOC kuormasta % Turvetuotannon osuus järven TOC kuormasta %

6 Ilmastonmuutos kasvattaa valumaa ja TOC huuhtoumaa Kasvu kuitenkin maltillista

7 Turvetuotannon kuormituksen mallintamista auttaisi: Rekisteriin (esim. Vahti) kootusti tiedot: Vesien purkupisteiden koordinaatit Tuotantoalueen pinta-ala (vuosittain), josta vedet purkupisteeseen tulevat Näillä tiedoilla mallinnustulokset voitaisiin laajentaa koko Suomen kattaviksi Koealue jossa mitattaisiin ympäri vuoden suolta lähtevä vesimäärä ja kuormitus: Sisältäen myös talvi ja tulvahuiput Usean vuoden jaksolta, sisältäen suon eri käsittelyvaiheet Ero luonnontilaisen suon ja turvetuotantoalueen kuormituksessa

8 Turvetuotantoalueiden kiintoaine- ja humuskuormituksen mallinnus ICECREAMmallilla Vanamo Seppänen / SYKE

9 1. Ojitetun turvemaan hydrologian mallinnus

10 Richardsin yhtälö maaveden liikkumisen mallinnukseen θ t = {k ( ψ / z - 1)} / z + A(z,t) q w = veden virtaus (cm/vrk) θ = vesipitoisuus tilavuutena t = aika (vrk) k = vedenjohtavuus (cm/vrk) ψ = matriiisipotentiaali (cm) z = syvyys (cm) ylhäältä alaspäin katsottuna, jossa maanpinnalla z = A = tuotto/poistotermi (esim. haihdunta), joka voi vaihdella ajassa ja syvyydessä (d -1 ) Mallissa metrin paksuinen maaprofiili on jaettu kymmeneen 1 cm:n paksuiseen kerrokseen, joiden välillä vesi liikkuu Vesi liikkuu aina kohti pienempää potentiaalia joko ylös- tai alaspäin Pintavalunnan laskemiseen käytetään SCS curve number -metodia Routa simuloidaan asettamalla vedenjohtavuus nollaan 1-2 cm:n syvyydellä olevassa maakerroksessa

11 Valunta Kaijansuon turvetuotantokentältä Sadanta ja lämpötila tulevat lähimmältä sääasemalta (Ähtärissä) Sulanta simuloitu WSFS-mallilla valunta (mm) marras 9.joulu 24.joulu 8.tammi 23.tammi 7.helmi 22.helmi 8.maalis 23.maalis 7.huhti 22.huhti 7.touko 22.touko 6.kesä 21.kesä 6.heinä 21.heinä 5.elo 2.elo 4.syys 19.syys 4.loka 19.loka 3.marras 18.marras 3.joulu 18.joulu 2.tammi 17.tammi 1.helmi 16.helmi 3.maalis 18.maalis 2.huhti 17.huhti 2.touko 17.touko 1.kesä 16.kesä 1.heinä 16.heinä 31.heinä 15.elo 3.elo 14.syys 29.syys 14.loka 29.loka marra joulutammihelmimaalishuhtitouko kesä heinä elo syys lokamarrasjoulutammihelmimaalishuhtitouko kesä heinä elo syys lokama s rra s simuloitu Mitattu valunta liian pieni? Pumppu on ollut välillä rikki, suurten virtaamien aikana ohijuoksutuksia Simuloitu valunta liian suuri? Pöyry: Etelä-Suomen turvetuotantoalueiden keskimääräinen valunta oli 464 mm/a vuosien aikana mitattu Valunta Kaijansuo (turvetuotanto) Kyyjärvi (metsätalous) sadanta/sulanta mitattu simuloitu mitattu 87 mm 293 mm 662 mm 473 mm

12 2. Kiintoainekuormituksen mallinnus

13 Kaijansuon turvetuotantoalue, pintavalutuskentälle tuleva vesi Mitattu kiintoainepitoisuus, mitattu ja simuloitu valunta 7 4 kiintoainepitoisuus (mg/l) valunta (mm) 24.marras 9.joulu 24.joulu 8.tammi 23.tammi 7.helmi 22.helmi 8.maalis 23.maalis 7.huhti 22.huhti 7.touko 22.touko 6.kesä 21.kesä 6.heinä 21.heinä 5.elo 2.elo 4.syys 19.syys 4.loka 19.loka 3.marras 18.marras 2.joulu 17.joulu 1.tammi 16.tammi 31.tammi 15.helmi 2.maalis 17.maalis 1.huhti 16.huhti 1.touko 16.touko 31.touko 15.kesä 3.kesä 15.heinä 3.heinä 14.elo 29.elo 13.syys 28.syys marras joulu tammihelmimaalis huhti touko kesä heinä elo syys loka marras joulu tammihelmimaalis huhti touko kesä heinä elo syysloka mitattu simuloitu valunta mitattu valunta Data haettu netistä

14 7 Kaijansuon turvetuotantoalue, pintavalutuskentälle tuleva vesi Malli kiintoainepitoisuuden simulointiin: kiintoainepitoisuus = a*valunta b, missä a ja b kalibroitavia parametrejä Vuoden kalibrointijaksolla arvoiksi saatiin a = 14,6 ja b =,24 Kalibrointi tehtiin ainemäärien perusteella Nash-Sutcliffen arvo kiintoainepitoisuudelle -, kiintoainepitoisuus (mg/l) valunta (mm) 24.marras 3.joulu 12.joulu 21.joulu 3.joulu 8.tammi 17.tammi 26.tammi 4.helmi 13.helmi 22.helmi 2.maalis 11.maalis 2.maalis 29.maalis 7.huhti 16.huhti 25.huhti 4.touko 13.touko 22.touko 31.touko 9.kesä 18.kesä 27.kesä 6.heinä 15.heinä 24.heinä 2.elo 11.elo 2.elo 29.elo 7.syys 16.syys 25.syys 4.loka 13.loka 22.loka 31.loka 9.marras 18.marras marras joulu tammi helmi maalis huhti touko kesä heinä elo syys loka marras mitattu simuloitu simuloitu valunta

15 Kaijansuon turvetuotantoalue, pintavalutuskentälle tuleva vesi Validointijakso Nash-Sutcliffen arvo kiintoainepitoisuudelle -, kiintoainepitoisuus (mg/l) valunta (mm) marras 1.joulu 8.joulu 15.joulu 22.joulu 29.joulu 5.tammi 12.tammi 19.tammi 26.tammi 2.helmi 9.helmi 16.helmi 23.helmi 1.maalis 8.maalis 15.maalis 22.maalis 29.maalis 5.huhti 12.huhti 19.huhti 26.huhti 3.touko 1.touko 17.touko 24.touko 31.touko 7.kesä 14.kesä 21.kesä 28.kesä 5.heinä 12.heinä 19.heinä 26.heinä 2.elo 9.elo 16.elo 23.elo 3.elo 6.syys 13.syys 2.syys 27.syys marras joulu tammi helmi maalis huhti touko kesä heinä elo syys loka mitattu simuloitu simuloitu valunta

16 Kaijansuon turvetuotantoalue, pintavalutuskentälle tuleva vesi Mitattu ja simuloitu kiintoainekuorma Vuoden 212 mitattu kuorma 48 kg/ha ja simuloitu 128 kg/ha kiintoainekuorma (kg/ha) mitattu simuloitu 1 24.marras 1.joulu 26.joulu 11.tammi 27.tammi 12.helmi 28.helmi 15.maalis 31.maalis 16.huhti 2.touko 18.touko 3.kesä 19.kesä 5.heinä 21.heinä 6.elo 22.elo 7.syys 23.syys 9.loka 25.loka 1.marras 25.marras 11.joulu 27.joulu 12.tammi 28.tammi 13.helmi 1.maalis 17.maalis 2.huhti 18.huhti 4.touko 2.touko 5.kesä 21.kesä 7.heinä 23.heinä 8.elo 24.elo 9.syys 25.syys 11.loka marra joulutammihelmimaalishuhtitouko kesä heinä elo syys loka marrasjoulutammihelmimaalishuhti touko kesä heinä elo syysloka s

17 3. Humuskuormituksen (DOC) mallinnus

18 Humuksen prosessit ja huuhtoutuminen mallissa Kaksi humusvarastoa: huuhtoutuva humus (HH) ja mineraaleihin sitoutunut humus (MH) MH-varasto on 5 kertaa HH-varastoa suurempi (kalibroitu) Orgaanisen aineksen hajoaminen kasvattaa huuhtoutuvan humuksen varastoa Humus siirtyy HH-varastosta MH-varastoon niin, että varastojen kokojen suhde pyritään pitämään vakiona Mineraaleihin sitoutuneen humuksen varasto pienenee samassa suhteessa orgaanisen aineksen hajoamisen kanssa, mutta hitaammin mineraaleihin sitoutunut humus hajoaa MH tasapaino humus huuhtoutuu HH Org. aines hajoaa

19 Kaijansuon turvetuotantoalue, pintavalutuskentälle tuleva vesi Mitattu ja simuloitu humuspitoisuus Nash-Sutcliffen arvo pitoisuuksille, 14 4 DOC-konsentraatio (mg/l) valunta, simuloitu (mm) 26.touko 7.kesä 19.kesä 1.heinä 13.heinä 25.heinä 6.elo 18.elo 3.elo 11.syys 23.syys 5.loka 17.loka 29.loka 1.marras 22.marras 4.joulu 16.joulu 28.joulu 9.tammi 21.tammi 2.helmi 14.helmi 26.helmi 1.maalis 22.maalis 3.huhti 15.huhti 27.huhti 9.touko 21.touko 2.kesä 14.kesä 26.kesä 2.heinä 1.elo 13.elo 25.elo 6.syys 18.syys 3.syys 12.loka 24.loka toukokesä heinä elo syys loka marras joulu tammi helmi maalis huhti touko kesä heinä elo syys lokamarr as mitattu simuloitu valunta simuloitu valunta mitattu Data haettu netistä

20 Kaijansuon turvetuotantoalue, pintavalutuskentälle tuleva vesi DOC-konsentraatio (mg/l) valunta, simuloitu (mm) mitattu simuloitu valunta simuloitu valunta mitattu elo 2.elo 3.elo 4.elo 5.elo 6.elo 7.elo 8.elo 9.elo 1.elo 11.elo 12.elo 13.elo 14.elo 15.elo 16.elo 17.elo 18.elo 19.elo 2.elo 21.elo 22.elo 23.elo elo

21 Kaijansuon turvetuotantoalue, pintavalutuskentälle tuleva vesi Suurimman kevätvalunnan aikana humuskonsentraatio on pieni Mallissa tämä johtuu siitä, että routainen turve läpäisee huonosti vettä, jolloin syntyy paljon pintavaluntaa à pintavalunnan mukana huuhtoutuu vain vähän humusta DOC-konsentraatio (mg/l) huhti 3.huhti 5.huhti 7.huhti 9.huhti 11.huhti 13.huhti 15.huhti 17.huhti 19.huhti 21.huhti 23.huhti 25.huhti 27.huhti 29.huhti 1.touko 3.touko 5.touko 7.touko 9.touko 11.touko 13.touko 15.touko 17.touko 19.touko 21.touko 23.touko 25.touko 27.touko 29.touko 31.touko valunta, simuloitu (mm) huhti touko mitattu simuloitu valunta simuloitu valunta mitattu

22 Kaijansuon turvetuotantoalue, pintavalutuskentälle tuleva vesi Vuoden 212 mitattu humuskuorma 15 kg/ha ja simuloitu 345 kg/ha humuskuorma (kg/ha) mitattu simuloitu 26.touko 9.kesä 23.kesä 7.heinä 21.heinä 4.elo 18.elo 1.syys 15.syys 29.syys 13.loka 27.loka 1.marras 24.marras 8.joulu 22.joulu 5.tammi 19.tammi 2.helmi 16.helmi 2.maalis 16.maalis 3.maalis 13.huhti 27.huhti 11.touko 25.touko 8.kesä 22.kesä 2.heinä 3.elo 17.elo 31.elo 14.syys 28.syys toukokesä heinä elo syys loka marras joulu tammi helmi maalis huhti touko kesä heinä elo syys loka

23 Yhteenveto Turvetuotantokentän hydrologian mallintaminen on avainasemassa, kun halutaan laskea kentältä huuhtoutuvia ainemääriä Epätarkkuudet valunnan mittaamisessa vaikeuttivat mallinnustyötä Mallit perustuvat hyvin pieneen mittausaineistoon (dataa vain yhdeltä turvetuotantokentältä alle kahden vuoden ajalta), joten niiden soveltaminen suoraan muille turvetuotantokentille ei välttämättä onnistu Mallit kaipaavat vielä kehittämistä