Mallit työkaluina mitä on tarjolla ja millaisiin tilanteisiin? Sirkka Tattari SYKE Ari Laurén, Harri Koivusalo METLA Teemu Kokkonen TKK Metsätalous ja vesistöt seminaari 26.9.-27.9. 2006
Mihin malleja tarvitaan? Matemaattisilla malleilla voidaan arvioida laskennallisesti kuinka paljon eri metsätaloustoimenpiteet, hakkuu, kunnostusojitus ja lannoitus, vaikuttavat ravinnehuuhtoumiin. Virtaama- ja pitoisuusmittaukset antavat mittaustarkkuuden ja mittausten edustavuuden rajoissa myös tietoa kuormituksesta, mutta mittausten ajallinen ja paikallinen kattavuus aiheuttavat epävarmuutta ravinne- ja kiintoainekuormituksen arviointiin. Yksittäisen muuttujan mittaus ei myöskään anna tietoa tärkeistä syy-seuraussuhteista, joita dynaamiset prosessipohjaiset mallit taas pyrkivät valottamaan. Mallit ovat ainoa keino arvioida vaihtoehtoisten maankäytön tai vesiensuojelutoimenpiteiden sekä ilmastonmuutosskenaarioiden vaikutusta kuormitukseen.
Mallityökaluja Suomessa kehitetty VEPS arvioi (3. jakovaiheen vesistöalue) ravinnekuormituksen (kok P, kok N) suuruutta vuositasolla kuormituslähteittäin ominaiskuormituslukujen perusteella. Suomessa kehitetty paikkatietopohjainen N_EXRET (Nutrient EXport and Retention) malli arvioi metsätalouden toimenpiteitä ominaiskuormituslukujen perusteella. Malli sisältää myös ravinteiden pidättymisen järvialtaisiin. Englannissa kehitetty dynaaminen, osittain hajautettu INCA-valumaaluemalli (Integrated Nitrogen Model for Catchments) on prosessipohjainen typpimalli, joka huomioi kaikki tärkeimmät typen lähteet ja simuloi typen prosesseja alueen maaperässä sekä vesiuomissa. SWAT (Soil and Water Assessment Tool) on Yhdysvalloissa kehitetty vapaasti verkosta saatava valuma-aluepohjainen prosessipohjainen malli, joka simuloi vuorokauden aika-askeleella ravinteiden ja kiintoaineksen huuhtoutumista. Mallin lähtötietoina käytetään korkeusmallia sekä maaperäja maankäyttöaineistoja. Näiden pohjalta muodostetaan alueen uoma- ja osavaluma-alueverkosto. FEMMA on Suomessa metsäisille valuma-alueille kehitetty veden- ja typen kiertoa kuvaava laskentamenetelmä. Valuma-alue yksinkertaistetaan mallissa yhdeksi tai useammaksi vedenjakajalta uomaan ulottuvaksi pystyprofiiliksi, eli kaltevaksi rinteeksi, jossa hydrologiset ja typen kiertoon liittyvät prosessit lasketaan kahdessa ulottuvuudessa
Metsätaloustoimenpiteet Suomessa v. 1968-2004 Uudisojitus Kunnostusojitus. Auraus Äestys Muokkaamaton 350000 300000 250000 ha a-1 200000 150000 100000 50000 0 1960 1970 1980 1990 2000 2010 Eri päävesistöalueiden kuormituksessa on eroja johtuen metsätalouden suoritemäärien eroista sekä niiden erilaisesta alueellisesta kehityksestä.
LUONNONHUUHTOUMA
Herajoen va (04.412) Pinta-ala 101 km 2 Järvisyys 15% : 33 järveä & lampea Soiden osuus maa-alasta 11% Metsätalousmaa 82% Maatalousmaa n. 2%
Herajoen va (04.412) Pinta-ala 101 km 2 Järvisyys 15% : 33 järveä & lampea Soiden osuus maa-alasta 11% Metsätalousmaa 82% Maatalousmaa n. 2%
Vesistöalueen osa-alue n N_EXRET Ravinnekuormituksen arviointimalli N laskeuma N dep N pistekuormitus N p - Measured Mitattu alueelle N tuleva input N-ainevirtaama flux Mallinnettu N-ainevirtaa N above N mod_flux Retentio, kosteikot Retentio, järvet, N ret_l N meas_flux Hila 1*1 km 2 Gross N export, N ex -Hakkuualueet -Taimikot -Turvemaat, ojitetut ja luonnontilaiset -Avosuot -Turvetuotantoalueet -Metsät kivennäismailla -Pellot -Haja-asutusalueet
Luonnonhuuhtouman ja metsätaloustoimenpiteiden osuus (%) kokonaishajakuormituksesta (Lepistö, Granlund, Kortelainen & Räike 2006; Science of Total Environment)
VEPS, N-EXRET -johtopäätöksiä Ominaiskuormituslukuihin perustuvat menetelmät ovat yksinkertaisina helposti sovellettavia, mutta vaikeutena on ominaiskuormitusarvojen luotettava määrittäminen sekä niiden yleistettävyys. Voidaan huomioida myös vaikutuksen kesto
Valuma-aluetietoja Alue Pinta-ala Turvemaa Avohakkuu Hakkuuvuosi ha % ha / % Iso-Kauhea 176 50 19 / 11 1996 Kangasvaara 56 8 16 / 29 1996 Kivipuro 54 32 36 / 56 1983 Vanneskorvenoja 33 14 13 / 40 1997/1998 Porraskorvenoja 5,2 13 2,1 / 40 1997/1998 Lehmikorvenoja 7,2 14 2,8 / 39 1996/1997 Paroninkorpi 7,1 1 5,4 / 76 1997 Rudbäck 18 6 5,4 / 30 2000 Kaikilla alueilla avohakkuun ja vesistön väliin jätettiin suojavyöhyke.
Iso-Kauhea Kangasvaara Kivipuro Vanneskorvenoja Porraskorvenoja Lehmikorvenoja Paroninkorpi Rudbäck Iso-Kauhea Kangasvaara Kivipuro Vanneskorvenoja Porraskorvenoja Lehmikorvenoja Paroninkorpi Rudbäck PO 4 -P 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 kg ha -1 a -1 epäorg. N 0 1 2 3 4 5 kg ha -1 a -1 Ominaiskuorma hakkuuhehtaaria kohden Kokonaisfosfori Kokonaistyppi Tuija Mattsson, SYKE
VALUMA-ALUEMALLINNUS LÄHTÖTIEDOT -korkeusmalli -maankäyttö -maalaji -ilmastohavainnot -mallin lähtötiedot TULOSMUUTTUJAT -vesitase -ravinteet -kiintoaines PROSESSIT -hydrologia (esim. haihdunta ja valunta) -maaperän fysikaaliset (esim. veden liike maassa) ja kemialliset prosessit (esim. ravinteiden liukeneminen) -uomaprosessit (esim. syöpyminen ja liettyminen) Kuva: Sirkka Tattari, 2004
SWAT-Soil and Water Assesment Tool (Texas/USA) SWAT-malli Työkalu suurehkojen valuma-alueiden valunnan, eroosion ja ravinnehuuhtoumien arviointiin sekä valuma-alueella tehtävien toimenpiteiden vaikutusten vertailuun Fysikaalinen malli, ts. toiminta perustuu sää- maaperä- ym. lähtötietoihin sekä fys.-kem. prosesseihin Vaatii runsaasti lähtötietoa
SWAT, fosforiprosessit
ESIM. Prosessipohjainen SWAT-malli: parameter group abbreviation explanation subbasin input *.SUB CH_K1 hydr. conduct. in alluvium HRU general data *.HRU SLSUBBSN average slope length LAT_TTIME lateral flow travel time CANMX max. canopy storage (FOR) ESCO soil evap. compensation factor EPCO plant uptake comp. factor RSDIN initial residue cover (FOR) ERORGN/P orgn/p enrichment ratio (FOR) TDRAIN time to drain to FC GDRAIN drain time lag time main channel data *.RTE CH_K2 hydr. cond. in alluvium CH_EROD channel erodibility factor CH_COV channel cover factor groundwater input *.GW SHALLST init. depth of shallow aquifer DEEPST init. depth of deep aquifer GW_DELAY groundwater delay time GWQMN threshold depth for return flow GW_REVAP groundwater revap coefficient REVAPMN thres. depth for exch. with deep aquifer RCHRG_DP deep aquifer percolation factor subbasin management data *.MGT BIOMIX biological mixing efficiency basin input fiel *.BSN TIMP snow pack temp. lag factor SNOCOVMX param. affect. snow distribution SNO50COV param. affect. snow distribution SURLAG surface lag for runoff APM/PRF peak rate adjust. factor for sed. SPCON/SPEXP param. for channel sed. routing FFCB initial soil water storage UBN/P N/P distribution param. NPERCO/PPERCO N/P percolation coeff. > 30 parametrille ei mittauksiin ym. perustuvaa tietoa
Mallin laatima ja peruskartan uomaverkosto
Toimenpideskenaariot 1. Hakkuut Voidaan simuloida tekemällä uusia SWAT-projekteja, joihin lisätään aukeiden alueiden osuutta, esim. 5%, 10%, 15% ja 20% 2. Altaat ja kosteikot SWATissa on sisäänrakennettu mahdollisuus sijoittaa valumaalueelle altaita ja kosteikkoja Kullekin osavaluma-alueelle voidaan määrittää erikseen kosteikkoihin laskevan valuma-alueen pinta-ala, kosteikkojen pinta-ala ja tilavuus normaali- ja yliveden aikoina sekä useita pidättymiseen vaikuttavia parametreja
Toimenpideskenaariot Esimerkki: eroosion kasvu hakkuiden vaikutuksesta
INCA-N malli
Q Simojoki: kalibrointi m 3 s -1 600 500 400 300 200 100 0 01/01/1995 15/05/1996 27/09/1997 09/02/1999 NO 3 -N 0.4 0.3 Q: R 2 0.76 NO 3 -N: R 2 0.57 NH 4 -N: R 2 0.23 mg l -1 0.2 0.1 0 01/01/1995 15/05/1996 27/09/1997 09/02/1999 0.4 NH 4 -N 0.3 mg l -1 0.2 0.1 0 01/01/1995 15/05/1996 27/09/1997 09/02/1999
Valuma-alueen käsitteellinen kuva Figure: Ari Laurén
50 40 30 20 10 0 Kaltevuusprofiilin rakenne: Metsä 0 200 400 600 800 1000 1200 Distance to stream [m] Relative width Elevation [m] Hakkuu Suojavyöhyke
TYPPI: Suuruusluokkia (kirjallisuudesta): Kasvillisuuden ravinteidenotto: 15-80 kg/ha/a Orgaanisen aineen hajotuksessa vapautuu: 10 100 kg/ha/a Immobilisaatio mikrobistoon 10-80 kg/ha/a Laskeuma 2-15 kg/ha/a Typen sidonta 1-3 kg/ha/v Kaasumaiset päästöt 0-4 kg/ha/a DTN-kuorma purossa: 0.5 3 kg/ha/a Ojituksen, hakkuun ja lannoituksen yhteinen ominaiskuormitus: 2.8 3.3 kg/ha/a Hakkuu ja maanmuokkaus pelkästään ~0.4 kg/ha/a
Mallin rakenne: Kuvataan valuma-alue sarjana ojaan (puroon) liittyviä profiileja (kolumneja). Mineraalimaa Kombinaatiot: Puusto Kasvupaikan trofiataso Turvekerroksen ominaisuudet Kivennäismaan ominaisuudet Kunnostusjoitettu GIS-työkalu puronvarren parametrisointiin, suhteelliset pinta-alat
Prosessipohjaiset mallit Dynaamisten valuma-aluemallien prosessien ja tulosmuuttujien monipuolisuus luovat hyvät edellytykset mallinnettavien ilmiöiden ymmärtämiselle. *********************************** Dynaamisissa malleissa parametrien lukumäärä on yleensä suuri ja samaan lopputulokseen voidaan päästä lukuisilla eri parametrikombinaatioilla. *********************************** Mallien parametrien identifioitumiseen liittyvät ongelmat ja useissa dynaamisissa malleissa käytetyt samat prosessikuvaukset eri maankäyttömuodolle huonontavat dynaamisten mallien uskottavuutta.
Metsätaloustoimenpiteiden mallintaminen Muutokset yleensä pieniä ja vaikeasti arvioitavissa Päällekkäisten toimenpiteiden vaikutus Vaikutuksen kesto Siirtyminen pienestä skaalasta valumaalueskaalaan
Epävarmuudet mallituloksissa johtuvat mm.: mallin lähtötietojen luotettavuudesta mallin rakenteeseen ja numeeriseen ratkaisumenetelmään liittyvistä puutteista epävarmuudet voivat myös liittyä tieteelliseen tietämykseen eli prosessien syy- ja seuraussuhteita ei tunneta riittävän hyvin.
KIITOS! N-Exret Ahti Lepistö INCA Katri Rankinen Ominaiskuormitus: Tuija Mattsso