Vesistömallit Vesistömallilla tarkoitetaan vesistön hydrologista kiertoa ja veden kulkeutumista vesistön uomissa ja järvissä kuvaavaa mallia. Vesistömallit kuvaavat veden kiertokulun sadannasta maaperän ja vesistöjen kautta haihdunnaksi ja valunnaksi mereen. Vesistömalleissa on kuvattu hydrologisen kierron kannalta tärkeimmät vesistöalueen elementit: aluesadanta, lumipeite, haihdunta maanpinnalta ja vesistöstä, maankosteus, pohjavesi, valunta, järvet ja joet
Vesistömallit: havainnot Säähavainnot ja -ennusteet ovat lähtötietoina vesistön lumen määrän, maankosteuden, pohjaveden, valunnan, jokien virtaamien ja järvien vedenkorkeuksien kehityksen seuranta. Vesistömallit laskevat sadeasemahavainnoista korjatun aluesadannan, lumen alueellisen vesiarvon ja Class A-astian haihduntahavainnoista arvion todelliselle maanpinta- ja järvihaihdunnalle. Vesistömalleja on ennustekäytössä nyt n. 30 vesistöalueella (100-50 000 km 2 ) Vesistömallien avulla tuotetaan vuodessa n. 10 000 virtaama- ja vedenkorkeusennustetta. Uusimmilla automaattisilla vesistömalleilla ennusteita tehdään tulva-aikana kerran vuorokaudessa ja muulloin kerran viikossa. Vesistömallien avulla arvioidaan tulvariskiä, jääpatojen syntyajankohtaa ja suunnitellaan säännösteltyjen järvien käyttöä.
Vesistömallijärjestelmä Vesistömallijärjestelmä WSFS on Suomen ympäristökeskuksen operatiivinen, hydrologisia vesistöennusteita automaattisesti tuottava järjestelmä. Vesistömallijärjestelmän käyttäjiä ovat alueelliset ympäristökeskukset, säännöstelyjen suunnittelijat, vesivoimalaitokset, pelastusviranomaiset sekä vesistöjen virkistyskäyttäjät kuten kesämökkiläiset. Vesistömallijärjestelmä tuottaa automaattisesti reaaliaikaisia ennusteita vesistöjen tilasta n. 1000 ennustepisteelle. Ennusteet ovat julkisesti nähtävillä ympäristöhallinnon internetsivuilla osoitteessa http://www.ymparisto.fi/vesistoennusteet.
Vesistömalliin on mallinnettu Suomen alueella olevat vesistöt. Malli koostuu n. 6000 itsenäisestä osa-alueesta, jotka uomaverkosto kytkee toisiinsa. Valuntamallissa maan pinnalle tuleva vesi (sadanta) kulkee lumi-, maa- ja pohjavesivarastojen läpi, ja poistuu valuntana. Vain oleellisimmat hydrologiset prosessit on mallinnettu, huomioiden lumen sulamisprosessi. Valuntamallin lisäksi vesistömalliin on kuvattu suurimmat joet ja järvet. Vesistömallin osa-alueisiin jako pohjautuu Suomen valumaaluejakoon
Vesistömallin rakenne Vesistömalli kuvaa veden valumisen maan pinnalta maaperän kautta pintavesiin, jokiin ja järviin. Syötteenä toimii sadanta- ja lämpötilatietojen lisäksi yläpuolisilta osa-alueilta virtaava vesi. Malli rakentuu erityyppisistä toisiinsa kytketyistä veden varastoista.
Vesistömallin rakenne.
Sadantamalli Sadantamalli saa syötteenään vuorokauden keskilämpötilan ja aluesadannan. Sadantamalli jakaa aluesadannan keskilämpötilan perusteella lumi- ja vesisateeksi. Suoraan järvialtaaseen satava vesi lisätään järvivarastoon, muualle satava vesi lumi- ja vesi sateena lumimallille. Lumimalli Lumimallissa simuloidaan lumen kertymistä ja sulamista yksinkertaisella astepäivämallilla. Lumimalli käsittelee kolmea varastoa: kiinteää lunta, lumen pidättämää vettä ja painannevarastoa. Lumimallin syöte lumisade lisätään kiinteän lumen varastoon, vesisade lumen pidättämään veteen.
Maavesimalli Maavesivarasto poikkeaa monista muista vesistömallin varastoista siten, että kaikki maavesimalliin tuleva vesi ei kulje maavesivaraston läpi. Maavesimallin syötteestä eli maan pintakerrokseen tulevasta vedestä osa varastoituu maavesivarastoon, loput valuvat pohjavesimallille tihkuntana. Kaikki tuleva vesi varastoituu maavesivarastoon, kun se on tyhjä, ja kaikki vesi valuu suoraan maavesimallin läpi, kun varasto on täynnä. Maavesivarastosta tapahtuu haihduntaa.
Pohjavesimalli Välivarastosta vesi purkautuu sekä valuntana uomaverkostoon että heruntana pohjavesivarastoon. Pohjavesivarastosta vesi purkautuu valuntana uomaverkostoon. Varastojen purkautuminen riippuu varastojen koosta. Välivaraston täyttyminen ja purkautuminen on hyvin nopeaa, vesi viipyy varastossa yleensä muutamia päiviä. Pohjavesivaraston tilavuuden muutos on hidasta; sekä herunta että varaston purkautuminen on verrattain pientä. Pohjavesivaraston valunnan voidaan ajatella ylläpitävän uomaverkoston perusvirtaamaa.
Jokimallit Jokimallissa alueen vesireitit kuvataan yhtenä alueen läpi kulkevana jokiuomana, joka on mallinnettu lukuisina perättäisinä pieninä altaina, kynnyksinä, joissa vesi valuu ylemmästä alempaan. Jokimallintehtävänä on kuvata viive, joka syntyy yläpuoliselta alueelta tulevan veden ja alueen omien valuntavesien kulkiessa alueen halki. Järvimallit Järvivarastoon tulee vettä jokiuomista sekä järven omalta valumaalueelta. Järvivarastosta poistuu vettä haihtumalla sekä virtaamalla järven purkautumispisteistä. Järvihaihduntaan vaikuttavat järven pintalämpötila, auringon säteilyenergia ja sadanta. Järven purkautumispisteen virtaama määräytyy veden korkeuden perusteella. Tärkeimpien järvien reaaliaikaista vedenkorkeutta havainnoidaan automaattisesti, samoin kuin säännösteltyjen järvien lähtövirtaamaa.
Vesistömallin kalibrointi Malli sovitetaan havaintoihin kalibroimalla laskentaan vaikuttavat parametrit niin että simuloidut ja havaitut vedenkorkeudet, virtaamat ja lumen vesiarvot vastaavat mahdollisimman hyvin toisiaan. Kalibroinnissa minimoidaan havaintojen X t,obs ja simuloitujen arvojen X t, sim erotusten neliösummaa F 2 = ( X ) t X t, obs t, sim 2
Vesistöennusteet Ennustesimulaatio aloitetaan keskimääräisestä varastotilanteesta, 2-3 vuotta ennen ennustepäivää, jotta malli ehtii mukautua ja varastotilavuudet ovat ennusteenalkuhetkellä mahdolisimman realistiset. Simulaatio alkaa 1.8, koska tuona päivänä voidaan lumi varaston olettaa olevan tyhjä. Historiajaksolla mallinsyötteenä käytetään sade- ja lämpötilahavaintoja, ennustejaksolla Euroopan sääennustekeskuksen tuottamia parviennusteita.
Ennustekuvat piirretään 3 eri jaksolta: Lyhyen ennustekuvan jakso alkaa 11vuorokautta ennen ennustepäivää ja päättyy 11 vuorokauden päähän Keskipitkän ennustekuvan jakso alkaa kuukauden ennen ennustepäivää ja päättyy 3 kuukauden päähän Pitkän ennustekuvan jakso alkaa vuoden ennen ennustepäivää ja päättyy vuoden päähän
Minimum data requirements: Meteorology Daily air temperature, precipitation and potential evaporation Weather forecast for daily air temperature and precipitation in forecasting mode Hydrology Daily river discharge, water levels and outflow from regulated lakes Minimum length of time series 1-5 years Aerial data Basin area, elevation map, river network map, land use map
Tailored applications and products: Models and systems Watershed models Watershed simulations and forecasts Real time simulation Real time precipitation, snow, evaporation, soil moisture, ground water storage, runoff, discharge, lake level, ice depth Real time reservoir storage and inflow Real time hydrological water balance maps Forecasts Hydrological probability forecasts based on ensemble weather forecasts Groundwater level forecasts Ice-breakup forecasts Real time planning Real time lake regulation planning via internet- user interface Lake regulation simulation and planning
Warnings Flood warning by e-mail, SMS, on the internet Snow load warnings for roofs by e-mail and on the internet Aerial precipitation warnings based on weather radar Nutrient load Nutrient load simulation and forecasts (P,N,C solids) Assessment of nutrient load mitigation measures Data production Filling in gaps of missing water level and discharge observations River discharge simulation at any point of catchment area Ice corrections for discharge Dam Safety Dam safety simulation and planning Design floods for dams Climate change Climate change simulations and assessment for hydrology and nutrient load
Application in Finland Area and land use data for 58 000 lake catchment areas in Finland Over 40 years of simulated hydrological data from 6,000 catchment areas in Finland Over 20 years of nutrient loads data from over 6,000 catchment areas in Finland Nutrient load simulation (smallest simulation unit is a 1- hectare lake and its catchment area) The WSFS simulates nutrient load from 55,000 lakes and 1 million field plots down to the Baltic Sea
Vesistömallit: muu käyttö Ennustekäytön lisäksi vesistömalleille on ajan myötä tullut muitakin käyttömuotoja:. ilmastonmuutostutkimukset vesistösuunnittelu puuttuvien vedenkorkeus- tai virtaamahavaintojen täydentäminen virtaaman laskenta vesistön (mielivaltaisesti) valitussa pisteessä virtaaman jääreduktio alueellisen lumen vesiarvon ja maankosteuden laskenta hydrologisen vesistömallin käyttö vedenlaatumallien osana
Vesistömallit: muu käyttö Ilmastonmuutostutkimuksissa vesistömalleja on käytetty arvioimaan ilmastomalleista saatujen lämpötila-, sadanta- ja haihduntamuutosten vaikutusta vesistöjen virtaamiin ja lumioloihin. Tulosten mukaan virtaamat tulisivat kasvamaan syksyllä ja talvella koko Suomessa. Lumipeite ohenisi ja puuttuisi lähes kokonaan Etelä-ja Länsi-Suomesta. Ilmastonmuutostutkimuksia jatketaan edelleen mm. Vuoksen, Paimionjoen ja Simojoen vesistöissä.
Suunnittelukäyttö on eräs toistaiseksi vähän käytetty vesistömallien käyttömuoto. Esimerkkinä voidaan mainita Kokkolan vesi- ja ympäristöpiirissä Perhonjoelle tehty selvitys, jossa vesistömalleilla voidaan arvioida esim. vesistön vesivarojen riittävyyttä kuivakausina. Hydrologista vesistömallia on käytetty vedenlaatumallien osana esim. fosforinhajakuormitusta laskettaessa Savijoen pienellä valumaalueella Varsinais-Suomessa. Lapuanjoella yhdistetään hydrologinen vesistömalli, hydraulinen jokimalli ja vedenlaatumallit vesistöseurantaa tukevaksi järjestelmäksi. Längelmävedellä yhdistetään hydrologinen vesistömalli ja vedenlaatumallit, ja tällä yhdistetyllä mallilla selvitetään ilmastonmuutoksen vaikutusta vesistön hajakuormitukseen.