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

Abstract

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.

Modeling tools are needed to assess (i) the amounts of loading from agricultural sources to water bodies as well as (ii) the alternative management options in varying climatic conditions. These days, the implementation of Water Framework Directive (WFD) has put totally new requirements also for modeling approaches. The physically based models are commonly not operational and thus the usability of these models is restricted for a few selected catchments. But the rewarding feature of these process-based models is an option to study the effect of protection measures on a catchment scale and, up to a certain point, a possibility to upscale the results. In this study, the parameterization of the SWAT model was developed in terms of discharge dynamics and nutrient loads, and a sensitivity analysis regarding discharge and sediment concentration was made. The SWAT modeling exercise was carried out for a 2nd order catchment (Yläneenjoki, 233 km2) of the Eurajoki river basin in southwestern Finland. The Yläneenjoki catchment has been intensively monitored during the last 14 years. Hence, there was enough background information available for both parameter setup and calibration. In addition to load estimates, SWAT also offers possibility to assess the effects of various agricultural management actions like fertilization, tillage practices, choice of cultivated plants, buffer strips, sedimentation ponds and constructed wetlands (CWs) on loading. Moreover, information on local agricultural practices and the implemented and planned protective measures were readily available thanks to aware farmers and active authorities. Here, we studied how CWs can reduce the nutrient load at the outlet of the Yläneenjoki river basin. The results suggested that sensitivity analysis and autocalibration tools incorporated in the model are useful by pointing out the most influential parameters, and that flow dynamics and annual loading values can be modeled with reasonable accuracy with SWAT. Sensitivity analysis thus showed the parameters which should be known better in order to result in more realistic parameter values. Moreover, the scenario runs for CWs made with SWAT revealed the high demand of land area for this protective measure to be substantially effective.