Kuormituksen arviointi mallintamalla

Mallinnuksen kehittäminen kiintoaineen ja humuksen osalta

Kivennäismaapeltojen ravinnekuormituksen simulointiin alun perin kehitettyä ICECREAM-mallia (esim. Rekolainen & Posch 1993, Tattari ym. 2001, Jaakkola ym. 2012) on kehitetty edelleen viljeltyjen turvepeltojen mallintamiseen. Tässä työssä mallia muokattiin turvetuotantoa varten ojitetun turvesuon simulointiin sopivaksi. Mallia kehitettiin Kaijansuon turvetuotantoalueella ennen pintavalutuskenttää sijaitsevasta pumppukaivosta automaattimittareilla mitatun aineiston perusteella. Mitattu aineisto haettiin EHP-tekniikka Oy:n datapalvelusta 4.11.2013.

Ojitetun turvesuon hydrologia

ICECREAM-malliin lisättiin laskentarutiini, joka laskee maaveden liikkeitä turpeessa perustuen fysikaaliseen Richardsin yhtälöön. Richardsin yhtälö ratkaistaan mallissa Newton-Raphsonin-menetelmällä. Yhtälöllä lasketaan maaveden potentiaalia eri maakerroksissa, ja veden kulkusuunta (ylös- tai alaspäin) maaprofiilissa määräytyy sen mukaan, missä on pienin matriisipotentiaali. Richardsin yhtälön ratkaisemista varten maaveden potentiaali sekä vedenjohtavuuden riippuvuus maan vesipitoisuudesta mallinnetaan van Genuchtenin yhtälöllä (van Genuchten 1980). Turvemaiden fysikaalisia ominaisuuksia kuvaavat parametrit sekä van Genuchtenin yhtälön parametrit saatiin kirjallisuudesta (Kesäniemi 2009). Sadantana käytettiin VEMALA-mallin arvoa, joka on mitattu lähimmällä sadeasemalla (Myllymäen asemalla Ähtärissä n. 50 km:n päässä tai Karhilan asemalla Multialla n. 45 km:n päässä). Sadantaa on korjattu mallin kalibrointiprosessissa virtaamahavaintoja vasten. Mallissa käytetty sadanta poikkeaa siis todennäköisesti Kaijansuon todellisesta sadannasta varsinkin paikallisten kesäsateiden osalta.

Mallinnettua valuntaa verrattiin Kaijansuon turvetuotantokentältä mitattuun valuntaan. Vuoden pituisella tarkastelujaksolla (26.5.12-25.5.13) mallinnettu valunta oli 558 mm ja mitattu 293 mm. Mallissa käytetty sadanta / sulanta oli tällä ajanjaksolla 807 mm. Todellisen valunnan tiedetään olleen mitattua valuntaa suurempi, sillä pumppausaltaassa, johon turvekentän valumavedet johdettiin ja josta virtaamamittaukset tehtiin, havaittiin mittausjakson aikana ylijuoksutuksia. Altaan pumppu oli myös välillä rikki tai muuten poissa käytöstä. Luotettavien havaintojen puuttuessa on vaikeaa arvioida, kuinka tarkasti malli pystyi simuloimaan Kaijansuon turvetuotantokentältä lähtenyttä valuntaa. Pöyry Oy:n (2009) raportissa Etelä-Suomen turvetuotantoalueiden keskimääräinen valunta oli 464 mm v-1 vuosien 2003-2008 aikana. Samalla ajanjaksolla Kaijansuon mallinnettu valunta oli keskimäärin 433 mm v-1, joten valunnan suuruusluokka mallinnettiin luultavasti melko hyvin. Kaijansuon valuma-alueesta 17 % on metsää, mitä ei huomioitu valunnan mallintamisessa. Puiden haihdunta todennäköisesti hieman pienensi Kaijansuolta tulevaa valuntaa. Koko mallinnusjaksolla (24.11.2011-16.10.2013) simuloitu valunta oli 92 % suurempi kuin mitattu. Mallinnusjakson mitattu ja simuloitu valunta on esitetty kuvassa 1.  

mallinnus kuva 1.png

Kuva 1. Mitattu ja simuloitu valunta Kaijansuon turvetuotantokentällä.

Kiintoainekuorma

Turvetuotantoalueen kiintoainekuormitus syntyy sateen irrottaessa kiintoainesta turvekentän pinnalta. Osa kiintoaineesta kuitenkin sedimentoituu ojien pohjalle ja lähtee liikkeelle vasta myöhemmin, kun virtaama on tarpeeksi suuri (Kløve 1998). Helposti erodoituvan kiintoaineen loppuminen saattaa rajoittaa kiintoaineen määrää valumavedessä varsinkin suurten virtaamien aikana. Myös työkoneet kuljettavat kiintoainesta ojiin tuotantoprosessin aikana. Näitä prosesseja yritettiin mallintaa yksinkertaisella regressioyhtälöllä, jossa valunnan kasvu nostaa kiintoaineen pitoisuutta. Simuloidun valunnan ollessa nolla mitattua pitoisuutta verrattiin edellisen valuntatapahtuman aikaiseen simuloituun pitoisuuteen olettaen, että seisovassa vedessä kiintoainepitoisuus ei muutu. Ongelmat valunnan mittauksessa vaikeuttivat yhtälön muodostamista. Yhtälö kalibroitiin simuloidun valunnan ja ainemäärien perusteella. Kalibrointijakso oli 24.11.2011-23.11.2012. Kalibroidusta yhtälöstä tuli seuraavanlainen:

kiintoainepitoisuus (mg l-1) = 15,65 x valunta (mm) 0,08                                                                 (1)

Nash-Sutcliffen luku kuvaa mallin hyvyyttä. Jos luku on yli 0, malli ennustaa simuloitavan arvon paremmin kuin mittausten keskiarvo. Täydelliselle mallille Nahs-Sutcliffen luku on 1. Kiintoainepitoisuutta kuvaavalle yhtälölle Nash-Sutcliffen luku oli kalibrointijaksolla 0,05 ja validointijaksolla (24.11.2012-16.10.2013) -0,04. Se tarkoittaa, että kiintoainepitoisuuden keskiarvo ennustaa kiintoainepitoisuuden yhtä hyvin kuin yhtälö 1. Kiintoaineen ainemäärää laskettaessa pitoisuutta tärkeämpi tekijä on kuitenkin valunnan määrä. Kiintoainekuorman mallinnustuloksen hyvyyden arvioiminen mitattuun kuormaan vertaamalla ei ollut mielekästä, koska puutteelliset virtaamamittaukset vääristivät mitattuja tuloksia. Mitattu kiintoainekuorma oli kalibrointijaksolla 6,3 t km-2 ja simuloitu 9,6 t km-2. Validointijaksolla mitattu kuorma oli 1,7 t km-2 ja simuloitu 4,3 t km-2. Aikaisemmissa tutkimuksissa turvetuotantoalueiden kiintoainekuormaksi on arvioitu 1-8 t km-2 (Kløve 2001). Mallinnusjakson mitattu ja simuloitu kiintoainekuorma on esitetty kuvassa 2.

mallinnus kuva 2.png

Kuva 2. Mitattu ja simuloitu kiintoainekuorma Kaijansuon turvetuotantokentältä.

Humuskuormitus

Kløven (2001) mukaan liuenneen orgaanisen aineksen pitoisuus turvetuotantoalueen ojissa on suurimmillaan valunnan ollessa vähäistä päinvastoin kuin kiintoainepitoisuus. Siksi kiintoainepitoisuuden kuvaamiseen käytettyä regressioyhtälöä ei yritetty tässä työssä soveltaa humuspitoisuuden mallintamiseen. Tässä humuksella tarkoitetaan liuennutta orgaanista ainesta. Humuskuormituksen mallintamisessa pohjana käytettiin mallin simuloimaa orgaanisen aineksen hajoamisnopeutta, josta johdettiin humuksen tuotantonopeus käyttämällä kalibroitua kerrointa. Orgaanisen aineksen hajoamiseen mallissa vaikuttavat maan lämpötila ja kosteus sekä orgaanisen aineksen sijaintisyvyys maaprofiilissa.

Näistä komponenteista rakennetulla mallilla humuspitoisuuden vaihtelu oli aivan liian suurta. Siksi malliin lisättiin varasto, johon osa turveprofiilin humuksesta kulkeutuu tietyllä nopeudella. Tämän varaston ajateltiin syntyvän turvemaassa olevista raudan ja alumiinin oksihydroksideista, jotka saattavat pidättää humusta. Aihetta ei tosin ole tutkittu turvemailla, ainoastaan mineraalimailla (Keiser ja Guggenberger 2000). Kulkeutumisnopeuteen vaikuttavat maan vesipitoisuus ja lämpötila sekä huuhtoutumiselle alttiin humuksen määrän suhde mineraaleihin sitoutuneen humuksen määrään. Näiden kahden varaston kokojen suhde pyritään pitämään vakiona siinä tapauksessa, että huuhtoutumiselle altista humusta kertyy liikaa suhteessa mineraaleihin sitoutuneeseen humukseen. Mineraaleihin sitoutunut humus poistuu varastosta mikrobihajotuksen tuloksena (Guggenberger ja Kaiser 2003). Hajotusnopeus vaihtelee mallissa samassa suhteessa orgaanisen aineksen hajotuksen kanssa mutta on hitaampaa. Sekä hajotusnopeus että humusvarastojen kokojen suhde perustuvat kalibrointiin.

Simuloidut ja mitatut humuspitoisuudet on esitetty kuvissa 3a ja 3b. Nash-Sutcliffen luku koko tarkastelujaksolle (26.5.2012-11.10.2013) oli -0,16, kun niinä päivinä, jolloin simuloitua valuntaa ei ollut, käytettiin humuskonsentraatiolle edellisen päivän arvoa. Malli ei tavoita pienen valunnan aikaisia korkeita humuspitoisuuksia. Mallin hydrologinen simulointi ei pysty tuottamaan kesäaikaisia pieniä valuntoja, jolloin mitattu valunta on ollut alle 0,5 mm vrk-1. Toisaalta kokonaiskuorman laskemisen kannalta pienen valunnan aikaiset pitoisuudet eivät ole niin oleellisia, sillä suurin osa kuormasta syntyy suurten valuntatapahtumien aikana (Jager ym. 2009). Keväällä 2013 lumen sulaessa malli tuottaa liian korkeita humuspitoisuuksia (kuva 4). Kevään mallinnetut pitoisuudet ovat lumen sulamisen aikana (mallissa 15.4.-21.4.) pieniä, sillä routainen maa läpäisee huonosti vettä ja osa valunnasta tulee pintavaluntana. Pintavaluntaan liukenee vain vähän humusta, jolloin kokonaisvalunnan humuskonsentraatio on pienempi. Samantapainen prosessi on raportoitu myös kenttätutkimuksissa. Jager ym. (2009) havaitsivat soisen valuma-alueen kevätvalunnassa pieniä humuspitoisuuksia. He olettivat tämän aiheutuvan siitä, ettei suon pintakerroksessa valuva vesi pääse roudan takia kosketuksiin humuspitoisen huokosveden kanssa. Lumen sulettua maanpinnalta kaikki mallinnettu valunta tulee kuitenkin koko turveprofiilin läpi, jolloin humuspitoisuus kasvaa liian suureksi havaintoihin verrattuna. Mallissa ei kuvata horisontaalista valuntaa vaan oletetaan, että vesi valuu ojiin joko maanpintaa pitkin tai maaprofiilin alimmasta kerroksesta. Roudan sulaminen on myös mallissa luultavasti liian nopeaa, sillä roudan simulointi on kehitetty kivennäismaille. Routa sulaa turvesuolla hitaammin kuin kivennäismaalla (Leiviskä 1989). Roudan syvyyttä ei ollut mitattu Kaijansuolla. Veden valuntareittien ja roudan yksityiskohtaisempi simulointi saattaisivat parantaa mallin kykyä simuloida kevätvalunnan humuspitoisuutta. Vuoden mittaisen jakson aikana (26.5.2012-25.5.2013) mitattu humuskuorma oli 15 t km-2 ja simuloitu 28 t km-2. Aiemmissa tutkimuksissa arviot vaihtelevat 11 ja 40 t km-2 välillä (Kløve 2001).

 mallinnus kuva 3a.png

a)

 mallinnus kuva 3b.png

b)

 Kuva 3. Mitattu ja simuloitu humuspitoisuus tarkastelujaksolla 26.5.2012-31.12.2012 (a) ja 1.1.2013-11.10.2013 (b). 

mallinnus kuva 4.png

Kuva 4. Mitattu ja simuloitu humuspitoisuus lumen sulannan aikana keväällä 2013.

Vesistökuormituksen mallintaminen

Turvetuotantoalueiden kuormituksen etenemistä vesistössä ja osuutta vesistön muusta kuormituksesta Saarijärven reitillä arvioitiin WSFS-Vemala mallilla (Huttunen ym. 2013). Arvioinnissa tarkasteltiin TOC (kokonais orgaaninen hiili) kuormitusta, koska siitä on riittävä määrä vesistöhavaintoja mallin sovittamiseksi alueelle.

WSFS-Vemala mallissa kuvataan vesistöön tuleva TOC kuorma ja kuorman eteneminen ja pidättyminen vesistössä. Mallissa on kuvattu kaikki 1 ha ja suuremmat järvet. Tuloksissa saadaan esille jokaiseen järveen tuleva TOC kuorma ja arvio turvetuotannon osuudesta tässä kuormassa. Turvetuotantoalueiden TOC kuorma saatiin Icecream laskennasta. Tuloksissa keskimääräinen TOC kuorma turvetuotantoalueelta vuosina 2000-2013 oli 335 kg TOC/ha/vuosi. Saarijärven reitillä mallinnettu koko TOC kuorma vesistöön on noin 25 700 tonnia / vuosi. Turvetuotannon osuudeksi siitä tuli noin 5,5 %. Kuvassa 5 on esitetty turvetuotannon osuus Saarijärven reitin suurimmissa järvissä.

mallinnus kuva 5.png

Kuva 5: WSFS-Vemala mallin arvio turvetuotannon osuudesta järven TOC (orgaaninen kokonaishiili) kuormitukseen.

Yhteenveto

Hydrologisen mallinnuksen validointiin tarvittaisiin luotettavaa mittausdataa turvetuotantoalueen virtaamasta. Mittauksen onnistuminen olisi tärkeää erityisesti keväällä lumen sulaessa, jolloin virtaamat ovat suurimmillaan. Keväällä myös kiintoaineen ja humuksen kuormitus on suurinta isojen virtaamien takia. Toisaalta suuret vesimäärät ja laitteiden jäätyminen asettavat keväällä virtaaman mittaukselle haasteita.

Yksittäisellä turvesuolla kiintoaineen kulkeutuminen on niin monimutkainen fysikaalinen prosessi, ettei sen tarkka mallintaminen liene mielekästä. Lisäksi turvetuotannon vesiensuojelumenetelmillä, esim. pintavalutuskentillä, saadaan poistettua merkittävä osa kiintoainekuormasta. Turvesuon hydrologiaa mallintamalla voidaan kuitenkin arvioida hydrologisesti erilaisten vuosien vaikutusta turvetuotannon kiintoainekuorman suuruuteen.

Humuskuormituksen mallinnusta olisi mahdollista edelleen kehittää, mutta mallin pohjaksi tarvittaisiin enemmän tutkimusta humuksen huuhtoutumiseen vaikuttavista prosesseista. Erityisesti kevätvalunnan aikana roudan merkitys ojitetun turvesuon hydrologisiin ja mikrobiologisiin prosesseihin kaipaisi tutkimista.

Viitteet

Guggenberger, G. & Kaiser, K. 2003. Dissolved organic matter in soil: challenging the paradigm of sorptive preservation. Geoderma 113: 293-310.

Huttunen, I., Huttunen, M., Seppänen, V., Korppoo, M., Lepistö, A., Räike, A., Tattari, S., Vehviläinen, B. 2013. A national scale nutrient loading model for Finnish watersheds – VEMALA. Submitted to Environmental Modeling and Assessment.

Jaakkola, E., Tattari, S., Ekholm, P., Pietola, L., Posch, M., Bärlund, I. 2012. Simulated effects of gypsum amendment on phosphorus losses from agricultural soils. Agricultural and Food Science 21: 292-306.

Jager, D., Wilmking, M. & Kukkonen, J. 2009. The influence of summer seasonal extremes on dissolved organic carbon export from a boreal peatland catchment: Evidence from one dry and one wet growing season. Science of the Total Environment 407: 1373-1382.

Kaiser, K. & Guggenberger, G. 2000. The role of DOM sorption to mineral surfaces in the preservation of organic matter in soils. Organic Geochemistry 31: 711-725.

Kesäniemi, O. 2009. Rahkaturvemaiden hydrauliset ominaisuudet. Lisensiaatintyö. [http://civil.aalto.fi/fi/tutkimus/vesi/opinnaytteet/kesaniemi2009.pdf]. 15.8.2012.

Kløve, B. 1998. Erosion and sediment delivery from peat mines. Soil and Tillage Research 45: 199-216.

Kløve, B. 2001. Characteristics of nitrogen and phosphorus loads in peat mining wastewater. Water Research 35: 2353-2362.

Leiviskä, V. 1989. Suomen turvetuotannon ilmastollisten edellytysten alueellisuus. Oulu, Oulun yliopisto, Pohjois-Suomen tutkimuslaitos, tutkimusraportti 92. 62 s. ISBN 951-42-2740-9

Pöyry Oy 2009. Turvetuotantoalueiden vesistökuormituksen arviointi YVA-hankkeissa

ja ympäristölupahakemuksissa. Yhteenveto tutkimusten ja kuormitustarkkailujen tuloksista.

Rekolainen, S. & Posch, M. 1993. Adapting the CREAMS model for Finnish conditions. Nordic Hydrology 24(5): 309-322

Tattari, S., Bärlund, I., Rekolainen, S., Posch, M., Siimes, K., Tuhkanen, H-R. & Yli-Halla, M. 2001. Modeling sediment yield and phosphorus transport in Finnish clayey soils. Transactions of the ASAE 44(2): 297-307.

van Genuchten, M.T. 1980. A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. Soil Science Society of America Journal 44: 892-898.

Lisätietoja:

Vanamo Seppänen, Suomen ympäristökeskus, etunimi.sukunimi@ymparisto.fi
Markus Huttunen, Suomen ympäristökeskus, etunimi.sukunimi@ymparisto.fi

Julkaistu 3.3.2014 klo 19.36, päivitetty 11.4.2014 klo 12.12