Aihe ja tavoitteet
Tekesin rahoittamassa CatchLake hankkeessa (2006-2010) kehitetään prosessipohjaisten vesistöalue- ja järvimallien yhteiskäyttöä hyödyntäen sekä kaukokartoitusteknologiaa, että intensiivimittauksia ja niihin liittyvää langatonta tiedonsiirtoteknologiaa. Projektissa hyödynnetään satelliitti- ja muu havaintotieto ympäristömallinnuksessa, ja toisaalta pyritään pistehavainnoinnilla varmentamaan ja arvioimaan kaukokartoituksella saatua dataa. Pilottialueena on vesihuollon ja virkistyskäytön kannalta merkittävä Säkylän Pyhäjärvi (154 km2) valuma-alueineen. CatchLake2 -jatkohanke painottuu Pyhäjärven tutkimukseen ja siinä kehitetään myös mittaustekniikkaa järvellä sekä mallinnetaan järviprosesseja 3-d mallilla.
Matemaattiset mallit tuottavat tietoa päätöksenteon tueksi. Mallit auttavat ymmärtämään ekosysteemien toimintamekanismeja ja niillä voidaan testata tieteellisiä hypoteeseja. Malleilla voidaan arvioida vaihtoehtoisia kehityskulkuja, sitä miten voidaan tehokkaimmin ja taloudellisimmin vähentää ympäristön kuormitusta. Mallien hyödynnettävyys riippuu paitsi siinä kuvattujen prosessien oikeellisuudesta, myös mallien käytössä olevista syöttötiedoista.
CatchLake on ryhmähanke SYKEn ja TKK:n Radiotieteen ja -tekniikan laitoksen välillä. Projektilla on suorat yhteydet EU:n 6. puiteohjelmassa tehtävään tutkimukseen (Euro-limpacs). SYKE on osallisena EU:n ja ESA:n yhteisessä GMES (Global Monitoring of Environment and Security) ohjelmassa, ja tiedon tuottajana / käyttäjänä ohjelman GSE Land palvelukeskuksessa.
Kuva 1. Pilottialueena on vesihuollon ja virkistyskäytön kannalta merkittävä Säkylän Pyhäjärvi (154 km²) valuma-alueineen. Hanke jakautuu kahteen osahankkeeseen:
1. Prosessimallinnuksen kehittäminen valuma-alueella (SWAT, INCA)
Valuma-alue-osahankkeessa kehitetään ja sovelletaan integroituja vesistöaluemalleja (SWAT ja INCA). Malleja vertaillaan epävarmuustekijöiden kvantifioimiseksi, ja työssä hyödynnetään intensiivimittaukset läheisillä tutkimusvaluma-alueilla, joista on olemassa pitkät aikasarjat maatalouden vaikutuksesta ravinne- ja kiintoainekuormitukseen.
SWAT on Yhdysvalloissa kehitetty valuma-aluepohjainen malli, jolla simuloidaan vuorokauden aika-askeleella ravinteiden ja kiintoaineksen huuhtoutumista. Mallin lähtötietoina käytetään kolmea karttapohjaista aineistoa: korkeusmallia, maaperä-, ja maankäyttöaineistoja. Näiden pohjalta muodostetaan alueen uoma- ja osavaluma-alueverkosto. Mallin toimivuutta ja prosessikuvausten oikeellisuutta tarkastellaan alueella suoritettavien intensiivimittausten avulla. Osahankkeessa tarkastellaan erityisesti lähivaluma-alueen merkitystä kuormittajana, sekä pääuoman ja muualta alueelta tulevien purojen/ojien merkitystä järven kokonaiskuormitukseen.
INCA-N on dynaaminen, prosessipohjainen typpimalli jolla simuloidaan ravinteiden huuhtoutumista ja siihen vaikuttavia tekijöitä vesistöalueilla. INCA-mallissa huomioidaan kaikki tärkeimmät ravinnelähteet ja mallilla simuloidaan maankäyttöluokittain muutuntaprosesseja, ravinnevirtoja sekä virtaamaa ja pitoisuuksia halutuissa jokiuoman pisteissä. Mallia kehitetään ja sovelletaan yhteistyössä EU:n Euro-limpacs -projektin kanssa. Työssä hyödynnetään myös perustettavilta intensiiviasemilta mitatut vedenlaatukomponentit, joita käytetään tarkennettaessa mallinnuksen tuloksia. Mallissa hyödynnetään lisäksi uusia EU Corine Land Cover maanpeitetietoaineistoja.
 |
|
 |
|
Kuva 2a
|
|
Kuva 2b
|
Kuva 2a. Pyhäjärven eteläosan sameneminen johtuu Yläneenjoesta järveen tulleesta ravinne- ja kiintoainekuormituksesta tulva-aikana. Pelloilta huuhtoutunut maa-aines vaikuttaa voimakkaasti veden optisiin ominaisuuksiin.
Kuva 2b. Liikkuvasta tutkimusaluksesta (Luode Consulting Oy) tehtyihin mittauksiin perustuva sameuskartta. Mittaukset on suoritettu 9.5.2006, eli samana päivänä kun satelliittikuva on otettu. Yläneenjoen edustan sameneminen näkyy vastaavasti kuin sateliittikuvassa.
2. Järvialtaan alueellinen vedenlaatu ja mallinnus
Pyhäjärvellä toteutettiin vuosina 2006-2007 kuusi mittauskampanjaa, joissa kartoitettiin vedenlaadun alueellista vaihtelua läpivirtauslaitteistolla liikkuvasta veneestä. Järven alueellinen vedenlaatu tuotettiin myös tulkitsemalla satelliittihavaintojen aikasarjoja. Näillä riippumattomilla menetelmillä saadut tulokset olivat hyvin vertailukelpoisia keskenään (kuva 2). Alueellisia mittaustuloksia sekä uuden järvimittausaseman tuloksia käytetään myös Coherens 3-d järvimallisovelluksen vertailuaineistona.
Säkylän Pyhäjärvelle asennettiin tiistaina 19.8.2008 automaattinen järvimittausasema (kuva 3). Aseman tuottamaa reaaliaikaista vedenlaatu- ja säätietoa voivat kaikki kiinnostuneet seurata testausvaiheessa osoitteessa:
http://www.luodedata.fi/pyhajarvi
Kuva 3. Automaattinen järvimittausasema Pyhäjärvellä elokuussa 2008.
Kuva: Henri Vaarala, Pyhäjärvi-Instituutti.
Järven alueellinen vedenlaatu (sameus/kiintoaine, klorofylli-a) tuotetaan tulkitsemalla satelliittihavaintojen aikasarjat kohdejärvestä. Tämä tehdään käyttäen TKK:n ja SYKE:n kehittämiä tulkinta-algoritmeja yhdysvaltalaisen (NASA) MODIS- ja eurooppalaisen (ESA) MERIS-instrumenttien havainnoille. Vedenlaatuaikasarjojen tuotossa hyödynnetään TKK:n kehittämiä data-assimilaation algoritmejä, jotka yhdistävät satelliittiaineistot kaikkeen saatavilla olevaan in situ -havainto-aineistoon matemaattisesti optimoidulla tavalla.
Tihennetyllä seurannalla tarkoitetaan mittaustekniikkaa, jossa mitataan vedenlaatumuuttujia (absorptio- ja attenuaatiomittaukset, fluorometriset mittaukset, sekä lämpötila- johtokyky- ja sameus-mittaukset) GPS-paikannuksen avulla nopeasti liikkuvasta veneestä laajan alueen kattamiseksi, sekä vertaillaan kaukokartoitusteknologialla saatuun dataan.
Coherens -malli on 3-dimensioinen hydrodynaaminen malli, joka on alun perin kehitetty meri- ja rannikkoalueille. Malliin on kytketty fysikaalinen osio, biologinen osio ja sedimenttimalli. Mallilla simuloitiin mm leväbiomassoja Säkylän Pyhäjärvellä vuosien 2006 ja 2009 avovesikausina. Aiheeseen liittyviä julkaisuja
CatchLake -hankkeen uusi loppuraportti
CatchLake1 - hankkeen raportti (2006-2007)
Coherens 3D Water Quality Model, posteri (pdf, 279 kt)
ELLS - posteri (pdf, 569 kt)
Aquatox - ecolocigal risk assessment model (ppt, 953 kt)
Bärlund, I., Kirkkala, T. Malve, O. and Kämäri, J. 2007. Assessing SWAT model performance in the evaluation of management actions for the implementation of the Water Framework Directive in a Finnish Catchment. Environmental Modelling & Software 22: 719-724.
Koponen, S. 2006. Remote sensing of water quality for Finnish lakes and coastal areas. PhD Thesis. Helsinki University of Technology, Laboratory of Space Technology Publications, Report 67, Espoo.
Koskiaho, J. 2006. Retention performance and hydraulic design of constructed wetland treating runoff waters from arable land. PhD Thesis. Faculty of Technology, University of Oulu, ActaUniv. Oul. C252.
Koskiaho J., Lepistö A., Tattari S. & Kirkkala T. 2010. On-line measurements provide more accurate estimates of nutrient loading – a case study of the Yläneenjoki river basin, SW Finland. Water Science & Technology (accepted).
Lepistö, A., Huttula, T., Koponen, S., Kallio, K., Lindfors, A., Tarvainen, M. & Sarvala, J. 2010. Monitoring of spatial water quality in lakes by remote sensing and transect measurements. Aquatic Ecosystem Health and Management (in press).
Tattari, S., Koskiaho, J., Bärlund, I. & Jaakkola, E. 2009. Testing a river basin model with sensitivity analysis and autocalibration for an agricultural catchment in SW Finland. Agricultural and Food Science 18, 3-4: 428-439. Hankkeen loppuseminaarin esitelmät
Hankkeen loppuseminaari Hotel Arthurissa, Helsingissä 19.5.2010:
- Seminaarikutsu ja ohjelma
- Yleistä YM t&k toiminnasta ja seurannoista, Laura Höijer
- Kaukokartoitus ja mittaukset mallinnuksen tukena, Ahti Lepistö
- Säkylän Pyhäjärvi valuma-alueineen tutkimuskohteena, Teija Kirkkala
- Jokimittaukset ja ravinnekuormitusarviot CatchLake-hankkeessa, Jari Koskiaho
- Pyhäjärven mittauslautta, Kari Kallio
- Automaattiset mittaukset operatiivisessa hydrologiassa, Markku Puupponen
- Automaattimittaukset TEHO-hankkeessa, Helmi Kotilainen
- Mittaustekniikan kehittäminen, Antti Lindfors
- Kaukokartoituksen sovellukset CatchLake-hankkeessa, Sampsa Koponen
- Kaukokartoituksen sovellutukset ympäristöntutkimuksessa, Jouni Pulliainen
- Maanpeitteen seuranta Suomessa, Pekka Härmä
- Valuma-aluemallinnus, Kirsti Granlund
- Järvimallin ennustekyvyn parantuminen hankkeen aikana, Ninni Liukko
- Vesistömallijärjestelmän vedenlaatuosio, Bertel Vehviläinen
- Mallien ja mittausten yhteiskäytön kehittäminen jatkossa, Timo Huttula
- MMEA Program Overview, Heikki Turtiainen
- Uudet menetelmät ympäristöntutkimuksessa ja seurannassa, Tuomo Suortti
Lisätietoja
Projektin vastuullinen johtaja: erikoistutkija Ahti Lepistö, SYKE, etunimi.sukunimi@ymparisto.fi
SYKE Jyväskylän yksikkö: johtava tutkija Timo Huttula, etunimi.sukunimi@ymparisto.fi
TKK/Radiotieteen ja -tekniikan laitos: TkT Sampsa Koponen, etunimi.sukunimi@tkk.fi
Pyhäjärvi-Instituutti: toiminnanjohtaja Teija Kirkkala, etunimi.sukunimi@pyhajarvi-instituutti.fi
CatchLake2 -hankkeessa ovat mukana SYKEn lisäksi Aalto-yliopisto TKK:n Radiotieteen ja –tekniikan laitos, Tekes, Pyhäjärvi-Instituutti ja Pyhäjärven suojelurahasto, Lounais-Suomen ympäristökeskus, Turun yliopiston biologian laitos, Readingin yliopisto Englannista, EOMAP Saksasta, NERI Tanskasta sekä yrityksistä Lounais-Suomen vesi- ja ympäristötutkimus Oy, Ramboll Oy, Luode Consulting Oy, Numerola Oy, Kala- ja vesitutkimus Oy ja Pöyry Environment Oy.
|