Testing a river basin model with sensitivity analysis and autocalibration for an agricultural catchment in SW Finland

摘要

Mallityökalut ovat osoittaneet tarpeellisuutensa arvioitaessa muun muassa maatalouden aiheuttamaa ravinnekuormaa ja vesiensuojelumenetelmien tehokkuutta. Erityisesti Vesipuitedirektiivin (VPD) täytäntöönpanon myötä mallinnustyölle on asetettu konkreettisia haasteita mallitulosten luotettavuuden suhteen. VPD:n puitteissa tarve soveltaa malleja laajoille alueille on myös kasvanut, vaikka perinteisesti prosessipohjaisia malleja on enimmäkseen sovellettu yksittäisillä valuma-alueilla. Vesiensuojelumenetelmien tehokkuuden arvioinnissa prosessipohjaiset mallit ovat avainasemassa, mutta tulosten yleistäminen yhdeltä valuma-alueelta toiselle on edelleen vaikeaa. Tässä tutkimuksessa parametrisoitiin prosessipohjainen SWAT -malli Yläneenjoen valuma-alueelle, joka edustaa tyypillistä lounaissuomalaista maatalousvaltaista aluetta. Yläneenjoen vedenlaatua on seurattu jo pitkään ja havaintojen määrä on riittävä sekä mallisovelluksen luomiseen että kalibrointiin. Lisäksi alueen viljelykäytännöt ja toteutettujen vesiensuojelutoimenpiteiden määrä ovat hyvin tiedossa. Aiempien tutkimusten perusteella mallista valittiin kolmekymmentä parametria, joille herkkyysanalyysi tehtiin. Näin tunnistettiin tärkeimpiin tulosmuuttujiin, virtaamaan ja sedimenttikuormaan, vaikuttavat parametrit. Virtaaman osalta herkimmät parametrit liittyivät pohja- ja pintavesivaluntaa, haihduntaa ja lumen sulamista kuvaaviin prosesseihin, kun taas vastaavasti sedimenttikuormaa selittivät uomaprosesseja ja eroosion kulkeutumista valuma-alueelta kuvaavat parametrit. Tätä tietoa hyödynnettiin mallin kalibroinnissa Rakennetulla SWAT -sovelluksella arvioitiin joen ainevirtaamaan muutoksia sekä tarkasteltiin kosteikkojen vaikutusta jokiveden laatuun. Tulokset osoittivat, että herkkyysanalyysin perusteella mallin kalibrointia voitiin selvästi tehostaa. Parametrivirityksellä saatiin simuloitu virtausdynamiikka ja ainevirtaamat vastaamaan paremmin mitattuja, tosin ainevirtaamien osalta havaintojen vähäinen määrä rajoitti vertailua. Ainehuuhtoumien kalibroinnissa kannattaakin useimmiten pitää lähtökohtana vuotuisia arvoja, koska pitoisuushavaintoihin sisältyy lukuisia epävarmuustekijöitä, joita mallissa on usein mahdotonta ottaa huomioon. Kosteikkosimulointien perusteella voidaan todeta, että merkittävien (n. 20 %) kuormitusvähenemien aikaansaamiseksi kosteikkopinta-alaa tarvittaisiin huomattavan paljon, satoja hehtaareja. Tämä johtuu siitä, että ollakseen tehokas yksittäisen kosteikon tulee olla yläpuoliseen valuma-alueeseensa nähden suuri (n. 2 % tai enemmän). Simulaatioajojen perusteella tuntuvakaan kosteikkojen lukumäärän lisäys ei auta, jos niiden mitoitus on riittämätön. Suuresta pinta-alavaatimuksesta johtuen ei ole realistista laskea vesiensuojelua rakennettavien kosteikkojen varaan, vaan pikemminkin nähdä ne osana laajaa toimenpidevalikoimaa kokonaisvaltaisessa vesiensuojelun suunnittelussa. Rakennettavien kosteikkojen etuna ovat useat kuormitusvähenemien ohessa saatavat lisähyödyt, kuten maiseman elävöityminen ja luonnon monimuotoisuuden, erityisesti linnuston, lisääntyminen, jotka lisäävät kiinnostusta paikallisen väestön keskuudessa.