Miten mallintaa ravinnekuormitusten muutoksia?
Kirjoittajat: Katri Rankinen ja Kirsti Granlund, Suomen ympäristökeskus
Artikkeli pdf-muodossa (Positio 03/2009)
Vesistön ravinnekuormituksen laskennassa tarvitaan tietoa paitsi joen leveydestä ja maaston korkeudesta myös kasvillisuudesta, lumipeitteestä ja keskilämpötilasta. Suurimmat vaatimukset paikkatietoaineistolle asettavat dynaamiset mallit.
Erityisesti kesäisin suomalaisia kiinnostaa Itämeren tai mökkijärven vedenlaatu. Suomen ympäristökeskuksessa lasketaan valuma-alueilta järviin ja Itämereen tuleva ravinnekuormitus jokien havaitusta virtaamista ja veden ravinnepitoisuuksista. Suurimpien jokivesistöjen virtaamaa havainnoidaan päivittäin, ja jokivedestä otetaan vedenlaatunäytteitä kerran tai pari kuukaudessa. Eräillä pienemmillä valuma-alueilla otetaan päivittäisen virtaamamittauksen lisäksi näytteitä tiheämmin, jolloin esimerkiksi maankäytön muutosten vaikutusta vedenlaatuun ja ravinnekuormitukseen voidaan seurata tarkemmin.
Havainnoista lasketaan vuosittaiset ravinnekuormat ja seurataan niissä tapahtuneita muutoksia. Näin ei kuitenkaan voida arvioida ravinnekuormituksen muuttumista tulevaisuudessa, vaan tällöin tarvitaan kehittyneempiä matemaattisia menetelmiä. Ravinteiden kiertoa kuvaavilla valuma-aluemalleilla voidaan arvioida esimerkiksi maankäytön muutosten tai ilmastonmuutoksen vaikutusta kuormitukseen. Tämä perustuu maan käyttöön tai ilmastoon virtuaalisesti tehtäviin muutoksiin. Malleilla voidaan arvioida myös erilaisten kunnostustoimenpiteiden vaikutusta.
Dynaaminen malli laskee kuormituksen muutokset
Valuma-aluemallit laskevat ravinteiden kulkeutumisen maa-alueilta jokiuomiin ja vastaanottavaan vesistöön. Yksinkertaisimmat valuma-aluemallit perustuvat ominaiskuormituslukuihin eli kokeelliseen tutkimukseen perustuvaan tietoon eri maankäyttömuotojen keskiarvoisesta ravinnekuormituksesta. Nämä mallit tarvitsevat ainoastaan tiedon maankäytöstä, eikä niillä saada tietoa esimerkiksi vuosien välisestä vaihtelusta.
Suurimmat vaatimukset paikkatietoaineistoille asettavat niin sanotut dynaamiset valuma-aluemallit, jotka laskevat kuormituksen muutokset ajan suhteen. Ne käyttävät syötetietoina myös meteorologisia muuttujia, eli ainakin sadantaa ja lämpötilaa, joten niillä voidaan ottaa huomioon myös vuosittaisen valunnan vaikutus ravinnehuuhtoumiin.
Valuma-aluemalleissa on joko hilarakenne, tai valuma-alue jaetaan laskennan perusyksikköihin sen ominaispiirteiden esim. maankäytön, maalajin tai näiden yhdistelmän perusteella. Ravinteiden huuhtoutuminen jokivesistöihin lasketaan näistä perusyksiköistä.
Kevätviljaa vai kesantoa?
Valuma-aluemalli tarvitsee luonnollisesti tiedon sekä tutkimusalueen sijainnista että sen rajoista. Lisäksi tarvitaan tieto jokiuomien sijainnista sekä niiden pituudesta ja leveydestä, jotta joessa tapahtuva kulkeutuminen voidaan laskea. Varsinkin eroosiota ja sedimentin kulkeutumista mallinnettaessa on tieto osavaluma-alueiden ja jokiuomien kaltevuudesta tarpeen.
Suomen maankäyttöä ja maan peitteisyyttä eri vuosina on kuvattu useassa paikkatietokannassa, jotka ovat keskittyneet osittain eri asioihin (esimerkiksi SLAM ja Slices). CORINE2000 kuvaa Suomen maankäyttöä ja maanpeitettä vuonna 2000 käyttäen EU:n luokittelua, joten se on käyttökelpoinen myös kansainvälisissä projekteissa. Nämä aineistot eivät yleensä ole täysin riittäviä valuma-aluemallien tarpeisiin, sillä ne kertovat esimerkiksi maatalousmaan sijainnin mutta eivät sitä, mitä kasvia pelloilla viljellään. Esimerkiksi kevätviljoilta huuhtoutuu aivan eri määrä ravinteita kuin kesannoilta. Usein aineistoja joudutaan tarkentamaan esimerkiksi maa- ja metsätalousministeriön tietopalvelukeskuksen aineistolla, jossa peltolohkoihin on yhdistetty kasvilajitieto.
GTK:n maaperäkartoissa kuvataan maalajien ja maaperägeologisten muodostumien esiintymistä ja maalajien nimeämisessä käytetään rakennus- ja geoteknistä luokitusta. Mallinnuksen kannalta tieto on vain suuntaa antavaa, sillä eroosioprosessit tapahtuvat pintamaassa ja ravinneprosessit maan pintakerroksissa. Maannostietokannassa (1:250 000) geologista maaperäkarttaa on tarkennettu pintamaita koskevalla tiedolla ja maannosten nimet on johdettu sekä pinta- että pohjamaiden maalajeista. Suomessa maalajit on yleensä luokiteltu orgaanisen aineksen pitoisuuden ja raekokojakauman perusteella, mutta luokittelu voidaan tehdä myös maassa tapahtuneiden muuttumisprosessien eli maannostumisen aikaansaamien ominaisuuksien perusteella. Koska maaperäkartta ja maannostietokanta on tuotettu Euroopan maaperätoimiston ohjeen mukaisesti, nekin ovat käyttökelpoisia kansainvälisissä projekteissa.
Dynaamisissa malleissa voidaan käyttää myös muita paikkatietotuotteita, esimerkiksi lumipeitettä kuvaavia aineistoja. SYKE:ssä seurataan satelliittikuvilta lumen sulamista koko Suomen alueella. Käytännössä seuranta tapahtuu laskemalla kuinka suuri osa maan pinnasta on lumen peitossa. Lumipeitteen syvyyttä ja vesiarvoa havainnoidaan lumilinjamittauksilla. Lumilinja on 2-4 km pitkä reitti, joka kattaa edustavasti paikkakunnan eri maastotyypit. SYKE tuottaa satelliittikuviin perustuvaa tietoa myös kasvipeitteisen ajan pituudesta ja kasvien peittävyydestä.
Muita käyttökelpoisia aineistoja ovat erilaiset hallinnolliset rajat, joita tarvitaan tilastotietojen tuottamiseen. Laserkeilauksella tuotettava korkeusmalli vaikuttaa lupaavalta uudelta tuotteelta, sillä pienetkin vaihtelut pellon tai valuma-alueen kaltevuudessa vaikuttavat sedimentin kulkeutumiseen. Korkeusmallin lisäksi muutkin uudet paikkatietotuotteet, esimerkiksi satelliittikuvista tuotettavat tiedot eri viljelykasveista, saattavat lisätä huomattavasti valuma-aluemallinnuksen luotettavuutta.
Lisääkö ilmastonmuutos ravinteiden huuhtoutumista?
Käytännön esimerkin valuma-aluemallien käytöstä vedenlaadun arvioimiseen tarjoaa juuri päättynyt EU:n rahoittama Eurolimpacs-projekti. Siinä tutkittiin ilmastonmuutoksen vaikutusta pintavesien laatuun Euroopassa.
Projektissa käytettyjen ilmastonmuutosskenaarioiden mukaan Etelä-Suomessa ilman lämpötila nousee 2,8-4,9 astetta ja vuosisadanta lisääntyy 10-24 prosenttia vuosijaksoon 2070-2100 mennessä.
Eurolimpacs-projektissa sovellettiin valuma-aluemallia kahdelle pienelle valuma-alueelle tarkoituksena tutkia sadannan ja lämpötilan nousun vaikutusta typen huuhtoutumiseen.
Metsäisellä ylängöllä sijaitsevalla Mustajoen valuma-alueella typpihuuhtoumat lisääntyvät 10-30 prosenttia ja maatalousvaltaisella Savijoen valuma-alueella 30-70 prosenttia. Tärkein yksittäinen selittäjä on lisääntynyt valunta. Eri ilmastonmuutosskenaariot lupaavat alangolla sijaitsevalle Savijoelle leutoja talvia, jolloin lumipeite joinain vuosina katoaa lähes kokonaan. Tällöin talvella lisääntyvä sadanta lisää valuntaa ja ravinteiden huuhtoutumista. Ylängöllä sijaitsevalla Mustajoella lämpötila pysyy talvisin edelleen pakkasen puolella, joten lisääntynyt sadanta tuottaa siellä paksumman lumipeitteen. Ravinteita huuhtoutuu erityisesti lumipeitteen sulaessa, mutta myös syksyllä lisääntyneiden syyssateiden vuoksi.
Ilmastonmuutosten vaikutusta maatalouskäytäntöihin ei tässä tutkimuksessa otettu huomioon, vaan oletettiin että alueilla viljellään samoja kasveja kuin nykyäänkin. Todennäköisesti maanviljelijät kuitenkin sopeuttavat toimintaansa muuttuneeseen ilmastoon. Ilmastonmuutokseen sopeutumista pohditaan nyt käynnissä olevissa tutkimushankkeissa (maa- ja metsätalousministeriön rahoittama ILMASOPU ja EU LIFE+ rahoitteinen VACCIA).
Vanhempi tutkija Katri Rankinen arvioi maatalouden kuormituksen muutoksia vedenlaatutietojen perusteella.sekä toimii tutkimusosaston paikkatietoyhdyshenkilönä. Vanhempi tutkija Kirsti Granlund arvioi ravinnekuormitusta maatalousmailta muuttuvissa ilmasto-olosuhteissa mittausten ja mallinnusten avulla. Sähköposti: etunimi.sukunimi[at]ymparisto.fi
Linkkejä:
Vedenlaatutietoa SYKEn nettisivuilla: www.ymparisto.fi/vesienlaatu
OIVA - Ympäristö- ja paikkatietopalvelu asiantuntijoille: www.ymparisto.fi/oiva
Projektit:
Eurolimpacs http://www.ymparisto.fi/default.asp?node=13582&lan=EN
ILMASOPU https://portal.mtt.fi/portal/page/portal/mtt/kestavatuotanto/muuttuvailmastojamaatalous/ilmasopu1
VACCIA www.ymparisto.fi/syke/vaccia
4.6.2010 15:57