Typen, fosforin ja kiintoaineksen pidättyminen vesistöissä – WSFS- Vemala-mallin arvio

Tässä työssä arvioitiin vesistöön tulevan typpi-, fosfori- ja kiintoaineskuormituksen pidättymistä matkalla mereen. Laskennassa käytettiin Suomen ympäristökeskuksen WSFS-Vemala mallia, joka on yhdistetty hydrologiaa ja vedenlaatua kuvaava malli. Ravinteiden pidättymistä arvioitiin 3. jakovaiheen vesistöalueiden tarkkuudella. Mallilla laskettiin kultakin alueelta lähtevän kuormituksen muutoksen vaikutus ainevirtaamiin alapuolisissa järvissä ja lopulta mereen päätyvässä virtaamassa. Tulokset esitetään taulukkona 3. jakovaiheen alueille ja lisäksi koko Suomen karttana

Nutrient load compensation as a means of maintaining the good ecological status of surface waters

We examine how nutrient load compensation could help a firm expand its production when production is a source of nutrient loads, threatening the ecological status of a water body. We ask whether compensation is technically feasible and whether it can be made in an ecologically sustainable way. Credits for compensation may be provided by point or nonpoint sources. We apply our approach to the case of Finnish Lake Kallavesi, where the Supreme Administrative Court, based on the Water Framework Directive, refused an environmental permit for a plan to build a large pulp mill. We employ a lake nutrient response model to determine water quality using probabilistic analysis of the ecological status of the lake. The supply potential of phosphorus credits from point sources was too low to keep the lake in good ecological status with at least 80% probability and must be complemented by credits from agricultural nonpoint sources. Using a trade ratio of 1:1.2 to reflect uncertainty on credits from nonpoint sources suggests that the reduction in agricultural phosphorus loading would suffice on its own to ensure the good ecological status by 90% probability. The cost of buying nutrient reduction credits would be at most 2% of the investment.Peer reviewe

National-scale nitrogen loading from the Finnish agricultural fields has decreased since the 1990s

The national scale nutrient load modelling system VEMALA-ICECREAM was used to simulate agricultural total nitrogen(TN) loading and its trends for all Finnish watersheds for the period from 1990–2019. Across Finland, agricultural TN loading (ATNL) has decreased from 17.4 kg ha-1 a-1 to 14.4 kg ha-1 a-1 (moving 10-year averages) since the 1990s. The main driver of the decrease in simulated ATNL is a reduction in mineral fertilizer use, which has decreased the N surplus in the soils. The TN leached fraction, however, did not show a trend but did have high annual variability due to variations in runoff; this corresponds to an average of 14.4% of the TN applied. The ATNL was considerably higher in the Archipelago Sea catchment compared to other Finnish Baltic Sea sub-catchments, with the lowest ATNL found in the Vuoksi catchment in Eastern Finland. The highest decrease of ATNL was simulated for Vuoksi and Gulf of Finland catchments. In the Bothnian Sea, Bothnian Bay and Archipelago Sea catchments, the decreasing trend of ATNL was smaller but still significant, with the exception of the Quark catchment, where there was no significant change. The differences in decreasing trends between regions can be explained by the heterogeneity of catchment characteristics, hydrology and agricultural practices in different regions.

Participatory operations model for cost-efficient monitoring and modeling of river basins — A systematic approach

AbstractThe worldwide economic downturn and the climate change in the beginning of 21st century have stressed the need for cost efficient and systematic operations model for the monitoring and management of surface waters. However, these processes are still all too fragmented and incapable to respond these challenges. For example in Finland, the estimation of the costs and benefits of planned management measures is insufficient. On this account, we present a new operations model to streamline these processes and to ensure the lucid decision making and the coherent implementation which facilitate the participation of public and all the involved stakeholders. The model was demonstrated in the real world management of a lake. The benefits, pitfalls and development needs were identified. After the demonstration, the operations model was put into operation and has been actively used in several other management projects throughout Finland

Vesienhoidon vuorovaikutteinen ja kokonaisvaltainen suunnittelu. Yhteenveto Karvianjoen tulevaisuustarkastelut -hankkeen tuloksista

Tässä julkaisussa esitetään vuosina 2008–2012 toteutetun Karvianjoen tulevaisuustarkastelut (KarTuTa) -hankkeen tärkeimmät tulokset ja johtopäätökset. Hankkeen keskeisenä tavoitteena on ollut laajentaa, syventää ja tarkentaa. Karvianjoen vesistöalueelle laaditun vesiensuojelun toimenpideohjelman tarkasteluja. Hankkeessa on esitelty ja kehitetty menetelmiä vesienhoidon suunnitteluun ja sovellettu niitä Karvianjoen vesistössä. Tarkoituksena on ollut tuottaa sellaista tietoa vesienhoitoa varten, joka auttaa määrittämään uskottavia tavoitteita ja toimenpiteitä. Työssä on poikkeuksellisen monipuolisesti ja kattavasti arvioitu vesistön tilaa, siihen vaikuttavia tekijöitä sekä toimenpiteiden kustannuksia ja hyötyjä. Hankkeessa sovellettiin liki kahtakymmentä erilaista menetelmää tai vuorovaikutteiseen suunnittelun tukena käytettävää tekniikkaa. Hankkeen tarkastelut painottuivat Karvianjärvelle, Karhijärvelle ja Isojärvelle. Järvikohtaisesti on arvioitu ulkoisen ja sisäisen fosforikuormituksen alentamistarvetta, tunnistettu kustannustehokkaimpia vesiensuojelu-toimenpiteitä sekä esitetty toimenpidesuosituksia hyvän ekologisen tilan saavuttamiseksi. Lisäksi on arvioitu vedenlaadun paranemisesta virkistyskäytölle syntyviä hyötyjä sekä vertailtu toimenpiteiden kustannuksia ja hyötyjä. Vesistöalueelle laadittujen tulevaisuuskuvien avulla on selvitetty, kuinka maankäytön ja ihmistoiminnan muutokset vaikuttavat vesien tilalle asetettujen tavoitteiden saavuttamiseen. Lisäksi on mallinnettu ilmastonmuutoksen vaikutusta fosforikuormitukseen ja järvien veden fosforipitoisuuksiin. Julkaisu jakaantuu neljään osaan. Osassa I kuvataan hanke ja sen toteutus, osassa II hankkeessa sovelletut menetelmät,osassa III tarkastelujen tulokset ja järvikohtaiset toimenpidesuositukset sekä osassa IV johtopäätökset menetelmien soveltuvuudesta vesienhoitoon

Controls on inorganic nitrogen leaching from Finnish catchments assessed using a sensitivity and uncertainty analysis of the INCA -N model

The semi-distributed, dynamic INCA-N model was used to simulate the behaviour of dissolved inorganic nitrogen (DIN) in two Finnish research catchments. Parameter sensitivity and model structural uncertainty were analysed using generalized sensitivity analysis. The Mustajoki catchment is a forested upstream catchment, while the Savijoki catchment represents intensively cultivated lowlands. In general, there were more influential parameters in Savijoki than Mustajoki. Model results were sensitive to N-transformation rates, vegetation dynamics, and soil and river hydrology. Values of the sensitive parameters were based on long-term measurements covering both warm and cold years. The highest measured DIN concentrations fell between minimum and maximum values estimated during the uncertainty analysis. The lowest measured concentrations fell outside these bounds, suggesting that some retention processes may be missing from the current model structure. The lowest concentrations occurred mainly during low flow periods; so effects on total loads were small

A perspective on water quality in connected systems : modelling feedback between upstream and downstream transport and local ecological processes

Highlights • Catchment pollution limits water-related ecosystem services such as food production. • Water flow transports energy, substances and organisms downstream. • Organism behaviour causes bidirectional transport across the catchment. • Humans are modifiers of water and organismal transport. • Coupled transport-ecosystem models are essential for water quality assessment.Food production for a growing world population relies on application of fertilisers and pesticides on agricultural lands. However, these substances threaten surface water quality and thereby endanger valued ecosystem services such as drinking water supply, food production and recreational water use. Such deleterious effects do not merely arise on the local scale, but also on the regional scale through transport of substances as well as energy and biota across the catchment. Here we argue that aquatic ecosystem models can provide a process-based understanding of how these transports by water and organisms as vectors affect – and are affected by – ecosystem state and functioning in networks of connected lakes. Such a catchment scale approach is key to setting critical limits for the release of substances by agricultural practices and other human pressures on aquatic ecosystems. Thereby, water and food production and the trade-offs between them may be managed more sustainably

Modeling water quality in the Anthropocene : directions for the next-generation aquatic ecosystem models

“Everything changes and nothing stands still” (Heraclitus). Here we review three major improvements to freshwater aquatic ecosystem models — and ecological models in general — as water quality scenario analysis tools towards a sustainable future. To tackle the rapid and deeply connected dynamics characteristic of the Anthropocene, we argue for the inclusion of eco-evolutionary, novel ecosystem and social-ecological dynamics. These dynamics arise from adaptive responses in organisms and ecosystems to global environmental change and act at different integration levels and different time scales. We provide reasons and means to incorporate each improvement into aquatic ecosystem models. Throughout this study we refer to Lake Victoria as a microcosm of the evolving novel social-ecological systems of the Anthropocene. The Lake Victoria case clearly shows how interlinked eco-evolutionary, novel ecosystem and social-ecological dynamics are, and demonstrates the need for transdisciplinary research approaches towards global sustainability. Highlights • We present a research agenda to enhance water quality modeling in the Anthropocene. • We review adaptive responses in organisms and ecosystems to global environmental change. • We focus on eco-evolutionary, novel ecosystem and social-ecological dynamics. • These dynamics act at different integration levels and different time scales. • Lake Victoria is an iconic example of an evolving novel social-ecological system

Agricultural nutrient loading under alternative climate, societal and manure recycling scenarios

This paper introduces a framework for extending global climate and socioeconomic scenarios in order to study agricultural nutrient pollution on an individual catchment scale. Our framework builds on and extends Representative Concentration Pathways (RCPs) and Shared Socioeconomic Pathways (SSPs) at the spatial and temporal scales that are relevant for the drivers of animal husbandry, manure recycling and the application of inorganic fertilisers in crop production. Our case study area is the Aura river catchment in South-West Finland, which discharges into the heavily eutrophic Baltic Sea. The Aura river catchment has intensive agriculture - both livestock and crop production. Locally adjusted and interpreted climate and socioeconomic scenarios were used as inputs to a field-level economic optimisation in order to study how farmers might react to the changing markets and climate conditions under different SSPs. The results on economically optimal fertilisation levels were then used as inputs to the spatially and temporally explicit nutrient loading model (VEMALA). Alternative manure recycling strategies that matched with SSP narratives were studied as means to reduce the phosphorus (P) overfertilisation in areas with high livestock density. According to our simulations, on average the P loads increased by 18% during 2071-2100 from the current level and the variation in P loads between scenarios was large (from & minus;14% to +50%). By contrast, the nitrogen (N) loads had decreased on average by & minus;9% (with variation from & minus;20% to +3%) by the end of the current century. Phosphorus loading was most sensitive to manure recycling strategies and the speed of climate change. Nitrogen loading was less sensitive to changes in climate and socioeconomic drivers. (c) 2021 The Author(s). Published by Elsevier B.V. This is an open access article under the CC BY license (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).Peer reviewe

Iisalmen reitin ilmastonmuutostarkastelut : - säännöstelyjen toimivuus ja ilmastonmuutoksen vaikutukset kuormitukseen

Selvityksessä arvioitiin ilmastonmuutoksen vaikutuksia Iisalmen reitin hydrologiaan, säännöstelylupien toimivuuteen sekä vesistöjen kuormitukseen ja tilaan. Ilmastoskenaarioiden perusteella virtaamien ennakoidaan kasvavan Iisalmen reitin joissa ja järvissä talvella ja syksyllä, kun taas kevään maksimivirtaamat aikaistuvat ja pienenevät. Ilmastonmuutoksen odotetaan myös lyhentävän kautta, jolloin maa on lumen peitossa ja roudassa. Ilmastonmuutoksen hydrologisia vaikutuksia sekä sopeutumismahdollisuuksia Onki- ja Poroveden säännöstelykäytäntöjä muuttamalla tarkasteltiin Suomen ympäristökeskuksen (SYKE) Vesistömallijärjestelmän avulla vertailujaksolla 1971-2000 sekä tulevaisuuden jaksoilla 2010-39 ja 2040-69. Tulosten perusteella nykyisen lupaehdon mukainen kevätkuoppa Poro- ja Onkivedellä osoittautuu useimpina vuosina tarpeettomaksi kevättulvien pienenemisen ja aikaistumisen johdosta. Raportissa on esitetty sopeutuva säännöstelyohje, jossa kevätkuoppaa on aikaistettu ja madallettu tai jätetty joinakin vuosina kokonaan tekemättä. Jatkossa suuriin tulovirtaaman nousuihin on syytä varautua talvella mahdollisesti pitämällä järvien vedenkorkeuksia hieman nykyisen kaltaista säännöstelykäytäntöä alempana. Sopeutuva säännöstelykäytäntö edellyttäisi säännöstelyluvan muuttamista. Mallinnettujen hydrologisten skenaarioiden ja toisaalta lupaehtojen mukaisen sekä sopeutuvan säännöstelyn vaikutuksia vesiluontoon, virkistyskäyttöön ja taloudellisiin tekijöihin Onki- ja Porovedellä arvioitiin vedenkorkeus- ja virtaamavaihteluista laskettujen mittareiden avulla. Tulosten perusteella sopeutuvaa säännöstelytapaa voidaan pitää vesiluonnon ja vesistön käytön kannalta suositeltavana, kun se toteutetaan joustavasti tulovirtaamaennuste huomioon ottaen. Säännöstelytapaa voisi kehittää vielä paremmin varautumaan lisääntyviin talvitulviin. Ilmastonmuutoksen ja maatalouden sopeutumisen vaikutuksia fosforikuormitukseen tulevaisuuden jaksoilla 2020-30 ja 2050-59 arvioitiin VEMALA-mallilla. Iisalmen reitin järviin tuleva fosforikuormitus muuttuu ilmastonmuutoksen keskiarvoskenaariossa jaksolle 2050-59 mennessä vain vähän (−4…7 %), mutta runsassateisessa skenaariossa se kasvaa selvästi. Vesienhoidon toimenpiteiden vaikutusta maatalouden kuormitukseen arvioitiin käyttäen ICECREAM-mallia. Käyttämällä tarkennettua lannoitusta kaikilla pelloilla, suorakylvöä noin 12 000 hehtaarilla, lietteen sijoitusta lähes kaikilla nurmilla ja varaamalla suojavyöhykkeille 122 ha, voidaan 2020-luvulla päästä peltojen fosforikuormituksessa ilmastonmuutosskenaariosta riippuen 1 – 15 % nykytilaa pienemmälle tasolle. Vesiensuojelutoimenpiteiden kustannustehokkuutta Iisalmen reitillä arvioitiin KUTOVA-työkalun avulla. Yleisesti ottaen kaikilla osavaluma-alueilla kustannustehokkaimpia vesiensuojelutoimenpiteitä ovat metsä- ja maatalouden toimenpiteet. Maatalouden toimenpiteistä kustannustehokkaimpia ovat kosteikot sekä suojavyöhykkeet ja peltojen talviaikainen kasvipeitteisyys kaltevilla pelloilla. Toimenpiteitä kannattaa kohdistaa paitsi suurten hyvää huonommassa tilassa olevien järvien lähivaluma-alueille myös vesistön latvoille. Kustannustehokasta ja mahdollisesti jopa välttämätöntä olisi vähentää kuormitusta Poroveden kannalta myös osa-alueilla, missä vesistöt ovat jo pääosin hyvässä ekologisessa tilassa (Sonkajärven reitin ja Iso-Iin alueet). Muuttuvassa ilmastossa ja maatalouden kentässä yksittäisten toimenpiteiden kustannustehokkuus pääsääntöisesti huononee eri tulevaisuuden skenaarioissa. Vesienhoidon toimenpideohjelmassa alueelle suunnitellut toimenpiteet kompensoivat ilmastonmuutoksen vaikutusta, mutta maatalouden muutoksilla on suurempi merkitys toimenpiteiden vaikuttavuuteen