Vedenlaadun ja ravinnekuormituksen mallinnus- ja arviointijärjestelmä VEMALA

WSFS-Vemala (Vemala)

Vemala-malli on operatiivinen, koko Suomen kattava kuormitusmalli vesistöille (Huttunen ym. 2016). Se simuloi ravinteiden prosesseja, huuhtoutumista ja kulkeutumista maalla, joissa ja järvissä. Malli simuloi ravinteiden kokonaiskuormaa vesistöihin, pidättymistä ja Suomen vesistöistä Itämereen lähtevää kuormaa. Vemala koostuu pääosin kahdesta osamallista: hydrologiaa simuloivasta WSFS-mallista (Vehviläinen 1994) ja ravinneprosesseja simuloivasta Vemala-mallista (Huttunen ym. 2016). Mallia on kehitetty vuosien kuluessa ja tällä hetkellä operatiivisessa käytössä on kaksi malliversiota V1 ja V3, jotka simuloivat osin eri ravinteita ja prosesseja (Taulukko 1 ja Kuva 1). Mallin peräkkäisten versioiden kehitys johtaa yhä prosessipohjaisempaan ravinnekuormitusmalliin. Vemala-malli on osa Suomen ympäristökeskuksen Vesistömallijärjestelmää.

Vemala-mallin rakenne

Kuvaus Vemalan versioista V1 ja V3
		V1	V3
AINE		TP, TN, SS, TOC	TP, TN, SS, TOC, PO43-, PP, Porg, NO3-, NH4+, Norg, kasviplankton, O2
HYDROLOGINEN MALLI		WSFS	WSFS
MAA-ALUEMALLI	Maatalous	VEMALA-ICECREAM (TP, TN) pitoisuuden ja valunnan suhde (SS) osin prosessipohjainen hiilen kierron mallinnus maaperässä (TOC)	VEMALA-ICECREAM (TP, TN, PO43-, PP, Porg, NO3-, NH4+, Norg) pitoisuuden ja valunnan suhde (SS) osin prosessipohjainen hiilen kierron mallinnus maaperässä (TOC)
MAA-ALUEMALLI	Muu maa-alue	pitoisuuden ja valunnan suhde, VEMALA-N (Metsävesi) osin prosessipohjainen hiilen kierron mallinnus maaperässä (TOC)	pitoisuuden ja valunnan suhde, VEMALA-N (Metsävesi) osin prosessipohjainen hiilen kierron mallinnus maaperässä (TOC)
JOKIMALLI		ravinteiden kulkeutumismalli	biogeokemiallinen malli
JÄRVIMALLI		ravinteiden massatasemalli	biogeokemiallinen malli

Esimerkkejä Vemalan tuloksista ja niiden käyttötarkoituksista

Vemalalla voi simuloida päivittäistä vedenlaatua Suomen joissa ja yli hehtaarin kokoisissa järvissä sekä tuottaa reaaliaikaisia tuloksia. Sillä pystyy myös analysoimaan eri kuormituslähteiden osuutta kokonais- tai biologisesti käyttökelpoisista ravinteista sekä biologisesti käyttökelpoisten ravinteiden osuutta mereen menevästä kuormituksesta. Vemalalla voi simuloida erilaisten maatalous- ja ravinnekuormitusta vähentävien toimenpiteiden vaikutusta kokonais- tai biologisesti käyttökelpoisten ravinteiden kuormitukseen, mikä helpottaa vesipuitedirektiivin täytäntöönpanoa. Simuloinneissa voidaan huomioida myös ilmastonmuutoksen vaikutus. Esimerkiksi Itämereen päätyvää ravinnekuormitusta mallinnetaan Vemalalla eri skenaarioissa, joissa tarkastellaan erilaisten ilmastoskenaarioiden ja toimenpiteiden yhtesvaikutusta kuormitukseen. Lisäksi reagoimattomien yhdisteiden kulkeutumista jokireiteissä voidaan simuloida esimerkiksi tahattoman vuodon seurauksena alajuoksuun päätyvän pitoisuuden arvioimiseksi.

Piirakkadiagrammi: Eri kuormituslähteiden osuus Itämereen päätyvästä fosforikuormasta ilman suoraan mereen tulevaa laskeumaa. Suurin kuormituslähde on peltoviljely 45% ja toiseksi suurin luonnonhuuhtouma metsistä 24% (lähde: WSFS-Vemala).

Eri kuormituslähteiden osuus Itämereen päätyvästä fosforikuormasta ilman suoraan mereen tulevaa laskeumaa (lähde: WSFS-Vemala)

Vesimuodostumaan tuleva kokonaisfosforin kuormitus ihmisperäisistä lähteistä yhteensä verrattuna luonnonhuuhtoumaan (%)<br/>

Vesimuodostumaan tuleva kokonaisfosforin kuormitus ihmisperäisistä lähteistä yhteensä verrattuna luonnonhuuhtoumaan (%) © WSFS-Vemala/Syke

Vesimuodostumaan tuleva kokonaistypen kuormitus ihmisperäisistä lähteistä yhteensä verrattuna luonnonhuuhtoumaan (%) © WSFS-Vemala/Syke

.
Alla lista Suomen laajuisista ladattavista esimerkkikartoista (png-muodossa). Kartoilla vesimuodostumilla ja maa-alueilla tarkoitetaan Vemala-mallin aluejaon mukaisia Vemalan vesimuostumia ja maa-alueita.

Vesimuodostumaan tuleva keskimääräinen kokonaisfosforin vuosikuormitus (kg/v) - karttakuva (png)
Vesimuodostumaan tuleva keskimääräinen kokonaistypen vuosikuormitus (kg/v) - karttakuva (png)
Vesimuodostumaan tuleva keskimääräinen orgaanisen kokonaishiilen vuosikuormitus (kg/v) - karttakuva (png)
Vesimuodostumaan tuleva kokonaisfosforin kuormitus ihmisperäisistä lähteistä yhteensä verrattuna luonnonhuuhtoumaan (%) - karttakuva (png)
Vesimuodostumaan tuleva kokonaistypen kuormitus ihmisperäisistä lähteistä yhteensä verrattuna luonnonhuuhtoumaan (%) - karttakuva (png)
Maa-alueelta syntyvä kokonaisfosforin kuormitus yhteensä (kg/km2/v) - karttakuva (png)
Maa-alueelta syntyvä kokonaistypen kuormitus yhteensä (kg/km2/v) - karttakuva (png)
Maa-alueelta syntyvä orgaanisen hiilen kuormitus yhteensä (kg/km2/v) - karttakuva (png)
Maa-alueelta syntyvä kokonaisfosforin kuormitus ihmisperäisistä lähteistä yhteensä verrattuna luonnonhuuhtoumaan (%) - karttakuva (png)
Maa-alueelta syntyvä kokonaistypen kuormitus ihmisperäisistä lähteistä yhteensä verrattuna luonnonhuuhtoumaan (%) - karttakuva (png)
Uoman virtaaman tai järven lähtövirtaaman keskiarvo Vemalassa (m3/s) - karttakuva (png)

Vemalan simulaatiosta tarkemmin

Vemala-N

Vemala-N simuloi nitraatin (NO₃^-), orgaanisen typen (Norg) ja kokonaistypen (TN) huuhtoutumista ja kuormituksen muodostumista valuma-aluetasolla. Simulointiyksikkö on viljelykasvi- tai maankäyttöluokka, joita on yhteensä kuusi: viisi eri viljelykasviluokkaa ja yksi metsäluokka. Malli simuloi typen pääprosessien (mineralisaatio, nitrifikaatio, denitrifikaatio ja kasvien typenotto) riippuvuutta maaperän kosteudesta ja lämpötilasta. Vemala-N-mallilla voidaan simuloida ilmastonmuutoksen, eri maankäyttömuotojen ja viljelykasvien sekä mineraalilannoituksen ja karjanlannan vaikutusta nitraatin huuhtoutumiseen ja siihen liittyviin reaktioihin. Vemala-N osamallin tulokset sekä metsäkuormitus fosforin osalta sovitetaan lopuksi Metsävesi-yhtälöihin (Metsävesi, 2020).

Käsitekaavio hydrologisesta mallista ja Vemala-N-mallista

Vemala-ICECREAM-P

Prosessipohjainen ICECREAM-malli (esim. Jaakkola ym. 2012) simuloi maataloudesta tulevaa partikkeleihin sitoutuneen fosforin (PP) ja fosfaatin (PO₄^3-) kuormitusta sekä eroosiota peltomittakaavassa. Mallilla lasketaan erikseen jokaisen Suomen pellon fosforikuormitus. Simuloinnissa käytetään lähtötietoina pellon ominaisuuksia: maalajia (savi, hiesu, karkea tai turve), pellon kaltevuutta ja suorakulmion muotoisen peltolohkon kokoa. ICECREAMin simuloimia tuloksia (päivittäistä kokonaisfosforikuormaa) käytetään Vemala-mallin syötteenä. Viljelytoimenpiteet, joita voidaan simuloida Vemala-ICECREAMilla laskettavissa skenaarioissa, ovat

Lannoitteen määrä, tyyppi (mineraalilannoite/lanta) ja lannoitussyvyys
Yksivuotiset kasvit (myös syysviljat), perennat ja juurikasvit, 13 eri kasvilajia parametrisoitu
Perinteinen muokkaus, suorakylvö
Ajankohdat viljelytoimenpiteille
Suojakaistat/suojavyöhykkeet

Fosforivirtojen simulointi ICECREAM-mallissa

Vemala-ICECREAM-N

Typen prosessipohjainen mallinnus ICECREAM-mallilla perustuu GLEAMS-malliin (Knisel, 1993). ICECREAM simuloi typpitasetta päivätasolla huomioiden seuraavat: orgaaninen aines, orgaaninen typpi, ammoniumtyppi (NH4-N) ja nitraattityppi (NO3-N). Simulaatiossa huomioidaan kasvijäte, orgaaniset ja mineraalilannoitteet, laskeuma ilmakehästä, kasvien sitominen ja orgaanisen aineksen hajoaminen. Maaperän typpeen vähentävästi vaikuttavia prosesseja ovat kasvien typenotto, denitrifikaatio sekä kulkeutuminen virtaaman tai valunnan mukana. ICECREAM tuottaa peltokohtaiset tulokset maatalouden typpikuormituksesta fraktioittain (orgaaninen typpi, ammoniumtyppi NH4-N ja nitraattityppi NO3-N), ja näitä käytetään Vemala-mallin syötteenä.

Typpivirtojen simulointi ICECREAM-mallissa

Vemala TOC

Vemala TOC -malli simuloi orgaanisen kokonaishiilen (TOC) prosesseja maaperässä. Orgaanisen hiilen huuhtoutuminen on riippuvainen maaperän hiilivarastosta, maankosteudesta, lämpötilasta ja valunnasta. Maaperän hiiltä kuvataan kolmen varaston avulla: maaperän orgaaninen hiili (SOC, soil organic carbon), liuennut orgaaninen hiili (DOC, dissolved organic carbon) ja liuennut epäorgaaninen hiili (DIC, dissolved inorganic carbon). Mallissa kuvatut keskeiset prosessit ovat orgaanisen hiilen (OC) mineralisaatio, orgaanisen hiilen (OC) dissosiaatio ja DOC:n muodostuminen, DOC:n assosiaatio takaisin SOC:ksi. Malli simuloi TOC-kuormitusta kuudesta maankäyttöluokasta: pelloilta savimaalla, pelloilta karkealla maalla, pelloilta eloperäisellä maalla, metsistä ojitetulla turvemaalla ja turvetuotantoalueilta, metsistä ojittamattomalla turvemaalla sekä metsistä kivennäismaalla (sis. muut maa-alueet). TOC-mallia jatkokehitetään käynnissä olevissa projekteissa.

Kaaviokuva TOC-mallin kuvaamista prosesseista

Käsitekaavio Vemala TOC -mallista

Vemala v.3

Vemala v.3 käyttää syötteenä muilla Vemala-malleilla laskettua, maalta tulevaa kuormitusta; NO₃^- ja Norg tulevat Vemala-N-mallista, PO₄^3-, PP ja Porg VEMALA-ICECREAM-mallista ja kokonaishiili (TOC) sekä kiintoaine (SS) Vemalan 1.1-versiosta. Kasviplanktonin kasvua simuloidaan AQUAPHY-mallilla (Lancelot ym. 1991) ja ravinteiden kiertoa RIVE-mallin (Billen ym. 1994) yksinkertaistetulla versiolla. Biologisesti käyttökelpoiset ravinteet ovat yhteydessä toisiinsa kasviplanktonin muutosten, orgaanisen aineen hajoamisen ja sedimentaation kautta. Vemala v.3 -versiolla voidaan simuloida kokonais- ja biologisesti käyttökelpoisten ravinteiden (NO₃^- and PO₄^3-) kuormaa mereen eri kuormituslähteisiin jaoteltuna. Viljelytoimenpiteiden, kuormitusta vähentävien toimenpiteiden ja ilmastonmuutoksen vaikutus voidaan ottaa huomioon simuloinneissa.

VEMALA scheme

Käsitekartta biogeokemiallisesta mallista Vemalan v.3-versiossa

sVemala

sVemala on ravinnekuormituksen excel-pohjainen simulointityökalu, jonka tarkoituksena on parantaa Vemalan tietojen saatavuutta ja läpinäkyvyyttä. sVemalalla voidaan laskea fosforin, typen ja kiintoaineen ainetasetta vesistössä ja katsoa pienen kuormitusmuutoksen vaikutusta esimerkiksi vesistöstä lähtevään kokonaiskuormitukseen tai alapuolisen järven pitoisuuteen. sVemala käyttää syötteenään Vemalan laskemia ravinnekuormitustietoja ja luo helppokäyttöisen simulointiympäristön kalibroitujen retentiokertoimien sekä järvi-uomaverkoston avulla. Työkalu helpottaa muun muassa kuormituksen ympäristövaikutusten arviointia ja vesienhoidon toimenpiteiden suunnitelua. Uutena ominaisuutena sVemalaan on otettu käyttöön nykytilan simuloinnin lisäksi Vemalan laskemia maatalouden ja vesienhoidon toimenpiteiden skenaarioita yhdistettynä muuttuvaan ilmastoon.

sVemala

Viitteet

Billen G., Garnier J. & Hanset P. 1994. Modelling phytoplankton development in whole drainage network: the RIVERSTRAHLER Model applied to the Seine river system. Hydrobiologia, 289, 119-137.

Huttunen, I., Lehtonen, H., Huttunen, M., Piirainen, V., Korppoo, M., Veijalainen, N., Viitasalo, M., Vehviläinen, B. 2015. Effects of climate change and agricultural adaptation on nutrient loading from Finnish catchments to the Baltic Sea. Science of The Total Environment. Volume 529, pp 168-181. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2015.05.055

Huttunen, I., Huttunen, M., Piirainen, V., Korppoo, M., Lepistö, A., Räike, A., Tattari, S., Vehviläinen, B., 2016. A national scale nutrient loading model for Finnish watersheds – VEMALA. Environmental Modelling and Assessment 21(1), 83–109. DOI: 10.1007/s10666-015-9470-6

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.

Korppoo, M., Huttunen, M., Huttunen, I., Piirainen, V., Vehviläinen, B., 2017. Simulation of bioavailable phosphorus and nitrogen loading in an agricultural river basin in Finland using VEMALA v.3. Journal of Hydrology, 549, 363–373. http://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2017.03.050

Lancelot C., Veth C. & Mathot S. 1991. Modelling ice-edge phytoplankton bloom in the Scotia-Weddell sea sector of the Southern Ocean during spring 1988. Journal of Marine Systems (2):333-346.

Leena Finér, Ahti Lepistö, Kristian Karlsson, Antti Räike, Sirkka Tattari, Markus Huttunen, Laura Härkönen, Samuli Joensuu, Pirkko Kortelainen, Tuija Mattsson, Sirpa Piirainen, Sakari Sarkkola, Tapani Sallantaus, Liisa Ukonmaanaho, 2020: Metsistä ja soilta tuleva vesistökuormitus. Valtioneuvoston selvitys- ja tutkimustoiminnan julkaisusarja 2020:6 ISSN 2342-6799 ISBN PDF 978-952-287-826-7. https://julkaisut.valtioneuvosto.fi/bitstream/handle/10024/162009/VNTEAS_2020_6.pdf?sequence=4&isAllowed=y

Vehviläinen B. 1994. The watershed simulation and forecasting system in the National Board of Waters and the Environment. Publications of the Water and Environment Research Institute. National Board of Waters and the Environment, Finland No. 17.