Mallinnusosahanke

Malliskenaarioiden avulla mahdollistetaan toimenpiteiden vaikutusten vertailu kenttäkokeiden tueksi. Erityisesti tuotetaan pitkän ajan ja vaiheittain muuttuvien toimenpideolosuhteiden vaikutusten laskennallinen arviointi. Mallinnukset voivat kohdistua joko menneen ajan tarkasteluun tai tulevien ilmastoskenaarioiden vaikutusten arviointiin. Tuloksena saadaan eri toimenpiteiden vaikutukset pellon koko vesitaseen.

Mallinnusosahanke toteutetaan kahdessa osassa, joissa keskitytään säätösalaojituksen laskennalliseen tarkasteluun Sievissä. Osat ovat:

A) Säätösalaojituksen vaikutus vesitaseeseen sekä mallin kehitys (kuva 1)

B) Ilmastoskenaarioiden vaikutus kuivatustilaan ja säätösalaojituksen hyödyt tulevissa ilmasto-olosuhteissa (kuva 1)

Kummassakin osassa tarkastellaan säädön laskennallista vaikutusta vesitaseeseen (kuva 2) sekä pohjavedenpinnan syvyyden vaihteluun (kuvat 5–7). Tarkastelunäkökulmana ovat veden pidätys kasvukaudella kasvin vedenoton tarpeisiin sekä ympäristövaikutukset, jotka kivennäismailla tarkoittavat vesistöpäästöjä pellolta suotautuvien valumavesien kautta.

Sovelluskohteena on Sievin koekenttä.

Mallinnuksessa käytetään Aalto-yliopistossa kehitettyä FLUSH-mallia (Warsta, 2011), joka kuvaa muun muassa veden virtausprosesseja peltomittakaavassa. Malli soveltuu salaojituksen toimivuuden arviointiin (Nousiainen ym., 2015), pellon vesitaseen ja valunnan muodostumisen pitkäaikaiseen tarkasteluun (Koivusalo ym., 2017) sekä eri ojitusskenaarioiden toimivuuden ja vaikutusten arviointiin (Salo ym. 2017; Häggblom ym., 2019).

Kuva_1_pien_550

Kuva 1. Kaaviokuva mallisovelluksesta. Oranssilla on merkitty simulaatiojaksot, vihreällä koekentänmittaukset, joita mallinnuksessa käytettiin.

Säätösalaojitus Sievin koekentällä (A)

Mallinnusosahankkeen A-osio lähti liikkeelle mallin rakentamisesta ja testauksesta. Maanäytteiden mukaan parametrisoitu malli testattiin mitattua salaojavaluntaa ja havaittuja pohjavedenpinnan syvyyksiä vastaan.

Simuloituja kuivatusskenaarioita oli tässä osiossa kaksi: a) Normaali salaojitus ja b) säätösalaojitus. Säätösalaojitusskenaariossa säätö oli päällä viljelyaikana (taulukko 1) siten, että se kytkettiin mallissa päälle 14 vuorokautta ennen kylvöä ja otettiin pois 14 vuorokautta ennen puintia.

Mallinnus_taulukko_1_muo

Kuvasta 2 nähdään säädön vaikutus vesitasekomponentteihin (haihdunta, salaojavalunta, pintavalunta ja pohjavesivalunta). Kumulatiivinen vesitase esitetään periodeina, jotka alkavat kesäkuusta ja päättyvät seuraavan vuoden toukokuuhun. Mitatun salaojavalunnan (punainen viiva) tulisi vastata mallinnettua salaojavaluntaa (sininen alue) normaalin salaojituksen (kuva 2A) tapauksessa. Simuloidun vesitaseen mukaan, periodin kokonaissalaojavalunta säätösalaojituksen tapauksessa pieneni kasvattaen pintavalunnan ja pohjavesivalunnan osuuksia vesitaseesta.

Kuva_2

Kuva 2. Sievin koekentän laskennallinen vesitase (06/2015–05/2018) A) normaalille salaojitukselle ja B) säätösalaojitukselle.

Ilmastonmuutos skenaariot (B)


Ilmastonmuutosskenaarioiden simulaatiot toteutettiin käyttämällä EURO-CORDEXista haettuja ilmastomalliaikasarjoja jaksolle 1970–2100. Simulaatiot tehtiin päästöskenaarioilla RCP 2.6 ja RCP 8.5. Ensimmäisessä kasvihuonekaasupäästöjä onnistutaan vähentämään, kun taas RCP 8.5:ssa kasvihuonekaasupitoisuudet jatkavat kasvuaan kiihtyvällä tahdilla.

Ilmastoaikasarjoja korjattiin Ilmatieteen laitoksen meteorologisten havaintojen mukaan. Korjaukseen käytettiin historiallista aikajaksoa 1970–2005. Ilmastomallin korjauskertoimet saatiin vertaamalla ilmastoaikasarjaa Ilmatieteen laitoksen havaintoihin.

Osassa B simulaatiot tehtiin neljälle vesienhallintaskenaariolle: ei säätöä, jatkuva säätö, minimi säätö ja kattava säätö. Säätöskenaarioiden vuosittaiset ajat on esitetty taulukossa 2.

Mallinnus_taulukko_2

Simulaatioita ajanjaksolle 1970–2100 tehtiin yhteensä kahdeksan: kahdella päästöskenaariolla ja neljällä vesienhallintaskenaariolla (kuva 3). Simulaatiotulokset jaettiin neljälle ajanjaksolle (kuva 3). Simulaatiotulosten tarkastelua ja vertailua tehtiin päästöskenaarioiden välillä, vesienhallintaskenaarioiden välillä ja ajanjaksojen välillä.

Kuva_3_pien_400

Kuva 3. Ilmastonmallisimulaatioiden tarkastelu ja vertailu (1) päästöskenaarioilla, (2) vesienhallinta menetelmillä, ja (3) ajanjaksoilla.

Päästöskenaarioiden vertailussa huomataan, että molempien päästöskenaarioiden (RCP 2.6 ja RCP 8.5) mukaan vuosisadanta kasvaa ja vuoden keskilämpötila nousee (kuva 4). Muutokset ovat huomattavampia RCP 8.5 skenaariossa, jossa päästöjen kasvu kiihtyy.

Kuva_4

Kuva 4. Ilmastomallin tuottama a) vuosisadanta, ja b) lämpötila 1970–2100.

Kuvassa 5 on esitetty säätöskenaarioiden vaikutukset pohjavedenpintaan eri aikajaksoina (S0–S3) molemmissa päästöskenaarioissa (RCP 8.5 ja RCP 2.6) normaaliin salaojitukseen verrattuna. Kuvissa 6a–d on erotettavissa taulukossa 2 kuvatut säätöajat. Elo- ja syyskuulle ajoittuva vaihtelu on seurausta kesäisen säätöajan lyhentymisestä. Kehitys on huomattavampaa päästöskenaariossa RCP 8.5.

Kuva_5

Kuva 5. Säätöskenaarioiden vaikutus pohjavedenpinnan korkeuteen normaaliin salaojitukseen verrattuna.

Kuvissa 6 ja 7 on kuvattu keskimääräiset pohjavedenpinnan korkeudet eri säätöskenaarioilla historiallisen aikajakson (1970–2005) ja kaukaisen tulevaisuuden (2070–2100) neljältä vähäsateisimmalta ja sateisimmalta vuodelta. Kuvaajien alareunassa näkyvät siniset ja vihreät palkit näyttävät keskimääräisen ajan, jolloin säätö on päällä kattavassa säädössä ja minimoidussa säädössä. Taustan vaalean vihreä alue kuvaa viljelykasvin keskimääräistä kasvuaikaa kylvöstä sadonkorjuuseen.

Kuva_6

Kuva 6. Vähäsateisten vuosien pohjavedenpinnan korkeudet eri säätöskenaarioilla aikajaksoilla 1970–2005 (historiallinen aikajakso) ja 2070–2100 (kaukainen tulevaisuus).

Kuva_7

Kuva 7. Vähäsateisten vuosien pohjavedenpinnan korkeudet eri säätöskenaarioilla aikajaksoilla 1970–2005 (historiallinen aikajakso) ja 2070–2100 (kaukainen tulevaisuus).

Lähteet:

Häggblom ym. 2019. Impacts of supplementary drainage on the water balance of a poorly drained agricultural field. Agricultural Water Management, 223, 105568.

Koivusalo ym. 2017. Analysis of water balance and runoff generation in high latitude agricultural fields during mild and cold winters. Hydrology Research, 48(4), 957-968

Nousiainen ym. 2015. Analyzing subsurface drain network performance in an agricultural monitoring site with a three-dimensional hydrological model. Journal of Hydrology, 529, 82-93

Salo ym. 2017. Simulating 3-D water flow in subsurface drain trenches and surrounding soils in a clayey field. Soil and Tillage Research, 168, 20-32.

Warsta, 2011. Modelling water flow and soil erosion in clayey, subsurface drained agricultural fields.