4. Aurajoen valuma-alueen ominaisuudet ja tausta-aineistot 14
4.3 Mallissa käytettyjen kosteikkojen tiedot
4.3.2 Laskennalliset mallikosteikot
Kosteikon ravinteiden pidättämiskykyyn vaikuttavat kosteikon suhde yläpuoliseen valuma-alueeseen ja yläpuolisen valuma-alueen peltoisuusprosentti. Suhteellisesti tehokkainta pidättyminen on, kun yläpuolinen valuma-alue on täysin peltoa ja kosteikon suhde valuma-alueeseen on kaikkein pienin. Laskennalliset mallikosteikot eroavat toisistaan kokonsa ja yläpuolisen valuma-alueen peltoisuusprosentin mukaan.
Kaikilla valuma-alueen koko on 100 hehtaaria. Kosteikkojen koot ovat 0.3 ha, 0.5 ha, 0.7 ha, 1 ha, 1.5 ha, 2 ha, 3 ha, 5 ha, 7 ha, 10 ha, 15 ha ja 20 ha. Käytetyt peltoisuus- prosentit ovat 30%, 50%, 70% ja 100%.
Ravinteiden poistuminen arvioitiin Puustisen ym. (2007, s. 31) esittämien yhtälöiden pohjalta. Yhtälöt on saatu pohjoismaisten ja USArlaisten kosteikoiden tietojen perusteella. Ravinnepoistumia on verrattu kosteikon pinta-alan suhteeseen valuma- alueeseen ja tehty partikkelifosforin osalta potenssisovitus pisteisiin ja muiden kuormitusten suhteen lineaarinen sovitus. Yhtälöt on esitetty seuraavan sivun kuvassa, y on ravinteiden poistumisprosentti ja x on kosteikon pinta-alan ja valuma- alueen suhde.
Ravinteiden pidättyminen kosteikkoon
---Partkkefctebri __ . . Ukonen tisbri . . . .Kokonaetyppi
Kosteikon koko suhteessa valuma-alueeseen [%]
Kuva 1. Ravinteiden pidättyminen kosteikkoon (Puustinen ym. 2007, s. 31)
Yhtälöistä saadaan absoluuttiset pidättymismäärät kertomalla ne yläpuolisen valuma- alueen pellon pinta-alalla ja keskimääräisellä kuormituksella. Tässä ei oteta kantaa siihen, minkälaisia ja miten muokattuja peltoja valuma-alueella on, vaan käytetään keskimääräistä kuormitusta. Lisäksi oletetaan kaiken kuormituksen tulevan maa
taloudesta, jotta voidaan arvioida kosteikkojen tehoa nimenomaan maatalouden vesistökuormituksen vähentämisessä. Keskimääräisinä kuormituslukuina käytettiin 0,77 kg/ha partikkelifosforia, 0,44 kg/ha liukoista fosforia ja 18,3 kg/ha typpeä.
Luku 5
Vesistökuormitusta vähentävien toimenpiteiden priorisointi ja lineaarinen optimointimalli
5.1 Mallin lähtöoletukset
Optimointimalli perustuu pääasiallisesti VIHMA-aineistoon. VIHMAsta saadaan eri toimenpiteiden vaikutukset vesistökuormitukseen ja mallissa käytettävät luokittelut, esimerkiksi kaltevuusluokat. Toimenpiteen kustannuksena on toimenpiteelle maksettavan maatalouden ympäristötuen määrä. Myös muunlaisia kustannuksia, esimerkiksi viljelijälle toimenpiteestä tai sadon menetyksestä koituvia kustannuksia olisi mahdollista käyttää. Tässä tarkastellaan kuitenkin ympäristötukea ohjaus
keinona, joten käytetään sitä kustannuksena.
Laskennan kannalta on huomattava, että malli pitää yhdenvertaisina toimenpiteitä, jotka alentavat kuormitusta yhtä paljon ja ovat kustannuksiltaan samanlaiset. Jos kaksi toimenpidettä ovat VIHMAn kannalta samanlaisia ja saavat lisäksi saman verran tukea, niitä tulee tarkastella yhdessä.
Mallissa oletetaan, että kaikki tilat ovat ympäristötukikelpoisia ja ympäristötuki kattaa koko peltoalan. Tämä vastaa todellisuutta melko hyvin, sillä noin 95 % pelto
alasta on ympäristötuen piirissä. Yksinkertaistuksen ansiosta ympäristötuen lisä
toimenpiteitä tai erityistoimenpiteitä voidaan kohdistaa mille tahansa peltoalalle.
Ympäristötuen perusosa ja lisätoimenpiteiden tuki maksetaan koko tilan hehtaarien mukaan, vaikka toimenpide kohdistuisikin vain osalle peltoalasta. Koska tässä mallissa ei tarkastella yksittäisiä tiloja ja halutaan tarkastella nimenomaan tukien kohdentumista erityyppisille pelloille, tukea ajatellaan maksettavan toimenpiteen peltoalan mukaan.
Viljelijä voi valita ympäristötuen lisätoimenpiteistä haluamansa. Tässä käytettävä malli ei ota huomioon yksittäisiä viljelijöitä tai maatiloja. Usean itsenäisen ja omaa
hyötyä maksimoivan päätöksentekijän sijasta malli olettaa kaikkien toimivan yhteisen päämäärän, eli vesistökuormituksen vähentämisen eteen. Tämä tarkoittaa sitä, että valittavaan muokkaustapaan vaikuttaa vain pellon ominaisuudet, ei yksittäisen viljelijän toimeentulo. Valuma-aluetasolla tukea jaetaan saman verran, mutta se jakautuu tilatasolla eri tavalla. Käytännössä viljelijät tekevät itsenäisesti päätöksensä, ja heillä on muitakin kriteereitä kuin koko alueen vesistökuormituksen minimointi.
Sen takia mallin antamien tulosten merkitystä ja toteuttamista tarkastellaan erikseen viljelijän näkökulmasta.
Jotkin lisätoimenpiteet saattavat sulkea muita pois tilatasolla. Esimerkiksi lisätoimen
piteet "peltojen talviaikainen kasvipeitteisyys tai kevennetty muokkaus" ja "peltojen tehostettu talviaikainen kasvipeitteisyys" ovat toisensa poissulkevia. Koska tarkastelutasona tässä työssä on valuma-alue eikä yksittäinen tila, optimoinnissa ei välitetä näistä rajoituksista.
Koska kaikkien tilojen oletetaan olevan mukana ympäristötukijärjestelmässä, voidaan tarkastella lisätoimenpiteitä ja erityistoimenpiteitä. Näistäkin tarkasteluun otetaan lähinnä muokkaukseen liittyvät toimenpiteet ja esimerkiksi lannoitus jätetään mallissa huomioimatta. Tämä tehdään osaksi sen takia, että VIHMA-aineistossa käsitellään vain muokkaustavan vaikutuksia pellolta tulevaan kuormitukseen. Lisäksi lannoitus
tasot ovat jo laskettu niin alas, ettei niihin voida käytännössä vaikuttaa samalla tavalla kuin muokkaustapoihin tai suojavyöhykkeiden ja kosteikkojen rakentamiseen.
5.2 Päätösmuuttujat
Päätösmuuttujina mallissa ovat pellon muokkaustapa ja rakennettavien kosteikkojen määrä. VIHMAn perusteella kuormituksen kannalta voidaan erotella seuraavat muokkaustoimenpiteet:
• Normaali syyskyntö
• Kultivointi syksyllä
• Sänkimuokkaus syksyllä
• Syysviljat
• Suorakylvö syksyllä
• Kultivointi tai sänkimuokkaus keväällä
• Suorakylvö keväällä
• Pysyvä nurmi
Näistä pysyvä nurmi ei tosiasiallisesti ole varsinainen muokkaustoimenpide, mutta
Suojavyöhykkeet perustetaan pellolle, joten ne voidaan rinnastaa muokkaus- toimenpiteisiin. Suojavyöhykettä ei ole mielekästä perustaa pellolle, jossa on pysyvä nurmi, joskin viljelykierron takia on täysin mahdollista, että jonain vuonna suoja
vyöhykkeen yläpuolella on nurmea. Viljelykierto jätetään kuitenkin huomioimatta.
Koska suojavyöhykkeen vaikutukset riippuvat yläpuolisesta pellosta, on tarpeen ottaa mukaan suojavyöhykevaihtoehto kullekin muokkaustavalle poislukien pysyvä nurmi.
Saadaan seuraavat toimenpiteet:
• Normaali syyskyntö ja suojavyöhyke
• Kultivointi syksyllä ja suojavyöhyke
• Sänkimuokkaus syksyllä ja suojavyöhyke
• Syysviljat ja suojavyöhyke
• Suorakylvö syksyllä ja suojavyöhyke
• Kultivointi tai sänkimuokkaus keväällä ja suojavyöhyke
• Suorakylvö keväällä ja suojavyöhyke
Suojavyöhykkeestä maksetaan tukea suojavyöhykkeen alan mukaan, mutta sen vaikutukset kohdistuvat suojavyöhykkeen yläpuoliselle pellolle. Vaikutukset suoja- vyöhykkeellisen pellon hehtaaria kohden saadaan suoraan VIHMAsta, mutta kustan
nuksissa täytyy yhdistää suojavyöhykkeen saama kustannus yläpuolisen pellon saamaan ympäristötukeen. Suojavyöhykkeelliselle pellolle voidaan kuitenkin laskea sen kustannukset ja vaikutukset kuormitukseen peltohehtaaria kohden, joten suoja
vyöhyke ja muokkaustapa yhdistelmät ovat mallin kannalta samanlaisia kuin muokkaustoimenpiteet. Merkitään pellolle kohdistuvan toimenpiteen pinta-alaa kullakin kaltevuusluokalla, P-luvullaja maalajilla 4'PM, jossa i viittaa edellä luetel
tuihin toimenpiteisiin, K kaltevuuslukuun, P P-lukuun ja M maalajiin. Mitään toimen
pidettä ei voi toteuttaa negatiivisen pinta-alan verran, joten xf'FM а О V/, K,P,M . Kosteikot perustetaan usein paikkaan, jossa ne eivät vie kovinkaan paljon peltoalaa.
Oletetaan yksinkertaisuuden vuoksi, että ne eivät kuluta lainkaan peltoalaa, joten niitä voidaan tarkastella erillään muista toimenpiteistä. Otetaan malliin esimerkki- kosteikkoja, joiden vaikutukset ja ominaisuudet tiedetään. Malliin otettuja kosteikkoja ei ole välttämättä mahdollista perustaa tarkasteltavana olevalle valuma- alueelle, mutta niiden avulla voidaan arvioida kosteikkojen tehokkuutta suhteessa muihin toimenpiteisiin.
Kosteikoiden osalta tehdään kaksi erillistä tarkastelua. Ensimmäisessä lasketaan kosteikoiden osuus kokonaiskustannuksista, kun kosteikolta saa rakentaa niin paljon kuin alueelle mahtuu. Käytetään tähän tarkoitukseen vain yhtä kosteikkotyyppiä, joka edustaa keskimääräistä kosteikkoa. Tämän kosteikon tiedot on esitetty alla olevassa taulukossa
Taulukko 5. Mallissa käytetyn keskimääräisen kosteikon tiedot
Merkitään perustettavien keskimääräisten kosteikkojen lukumäärää muuttujalla y.
Koska kosteikkoa ei voida perustaa vain osittain, muuttujan tulee olla positiivinen kokonaisluku y (E N. Määritetään lisäksi kosteikoille maksimimäärä peltojen pinta- alan perusteella. Koska Aurajoella on peltoalaa on n. 30 000 ha, siellä voi olla enintään 600 valuma-aluetta, joiden pinta-ala on 100 ha ja peltoisuusprosentti 50, joten y s 600. Käytännössä luku on yläkanttiin, mutta toimii hyvin ylärajana.
Toisessa tarkastelussa lasketaan, mitkä kosteikkotyypit ovat kilpailukykyisiä pelto- toimenpiteiden kanssa. Malliin otettavat kosteikkotyypit ovat hovikosteikko, alastarokosteikko ja flytträskkosteikko sekä laskennalliset mallikosteikot. Näistä tiedetään vuotuiset ainepoistumat sekä pinta-alat, joista saadaan ympäristötuen mukaiset kustannukset.
Merkitään kosteikon perustamispäätöstä binaarimuuttujalla * 6 {0,1}, jossa j viittaa kosteikon tyyppiin. Lista kosteikoista on liitteessä 3. Muuttujan arvolla 0 kyseistä kosteikkotyyppiä ei rakenneta ja arvolla 1 rakennetaan.
5.3 Toimenpiteiden tukikustannukset
Ympäristötuen määrä ei ole kaikissa tapauksissa yksiselitteistä. Esimerkiksi suojavyöhykkeestä saatava reaalinen tuki voi vaihdella tapauskohtaisesti. Tuelle on kuitenkin määritelty maksimitasot. Tässä työssä käytetään näitä maksimitasoja.
Tällöin voidaan olla varmoja siitä, että toimenpiteet saadaan toteutettua annetulla budjetilla ja että mallin laskemat minimikustannukset eivät ole oikeasti suuremmat.
Perinteisin ja yleisin muokkaustapa on normaali syyskyntö. Se ei mahdollista muokkaukseen liittyviä lisätoimenpiteitä, joten sillä tavalla muokatun peltoalan voidaan ajatella saavan vain perustuen. Oletetaan lisäksi, että tilat ovat lähinnä kasvinviljelytiloja, jolloin tuki on 93€.
Ympäristötuen lisätoimenpide "Peltojen talviaikainen kasvipeitteisyys tai kevennetty muokkaus" edellyttää, että 30% tukikelpoisesta pinta-alasta on pidettävä kasvukauden ulkopuolella kasvien tai kasvijätteiden peittämänä tai hyväksytysti kevennetysti
syysviljat toteuttavat nämä ehdot. Lisätoimenpiteestä saatava tuki on ll€/ha, joten kokonaistueksi tulee 104€.
Lisätoimenpide "Peltojen talviaikainen kasvipeitteisyys" edellyttää, että vähintään 30% pinta-alasta on pidettävä kasvuston tai sängen peittämänä kasvukauden ulkopuolella. "Peltojen tehostettu talviaikainen kasvipeitteisyys" -lisätoimenpiteen edellyttämä pinta-ala on 50%, muuten ehdot ovat samat (Maaseutuvirasto 2007b).
Kultivointi ja sänkimuokkaus keväällä samoin kuin suorakylvö täyttävät nämä ehdot.
Lisätoimenpiteestä maksetaan 30€/ha tai tehostetusta versiosta 45€/ha. Lasketaan suuremman tuen mukaan, koska mallin tapauksessa tukeen kuuluvasta pinta-alasta 100% on kasvipeitteisenä kasvukauden ulkopuolella. Kokonaistueksi saadaan 138€/ha.
Maatilan peltojen pinta-alasta vähintään puolet on oltava nurmikasvien viljelyssä vuosittain, jotta voidaan valita lisätoimenpide "Laajaperäinen nurmituotanto". Lisäksi nurmien lannoittamiseen käytettävän typen sallittu määrä on tiukempi. Toimenpiteen voi valita ainoastaan kotieläintila, joten käytetään tässä tapauksessa perustukena 107
€/ha. Hahmotelluista toimenpiteistä pysyvä nurmi täyttää nämä ehdot. Lisätoimen
piteestä maksetaan 55 €/ha ja kokonaistueksi tulee 162€/ha.
Suojavyöhykkeen perustaminen on erityistoimenpide ("Suojavyöhykkeiden perus
taminen ja hoito"), josta maksetaan enintään 450€/ha. Suojavyöhykkeen alalta ei makseta muuta ympäristötukea. Sen yläpuolinen peltolohko saa kuitenkin normaalin ympäristötuen. Jotta suojavyöhykkeellisen pellon tuki per hehtaari saadaan laskettua, suojavyöhykkeen ja sen yläpuolisen peltolohkon tuet täytyy yhdistää.
Oletetaan että suojavyöhyke perustetaan 2,2 ha peltolohkolle, jonka vesistöön rajoittuvan sivun pituus on 120 metriä. Tämä vastaa keskimääräistä peltolohkoa.
Suojavyöhykkeen leveys on 15 metriä, joten sen alaksi saadaan 0,18 ha. Tämä osa peltolohkosta saa suojavyöhykkeen tuen 450€/ha ja loppuosa pellosta saa ympäristö
tukea muokkaustavasta riippuen. Laskemalla nämä tuet yhteen ja jakamalla pelto
lohkon alalla saadaan suoj avy öhykkeellisen pellon ympäristötuen suuruudelle arvio.
Merkitään pellolle kohdistuvan toimenpiteen kustannusta c\, jossa alaindeksi i viittaa toimenpiteeseen. Toimenpiteiden saamat tukimäärä eli mallin kannalta kustannukset on esitetty kuvassa 2.
Peltotoimenpiteiden kustannukset
93 104 122 132 138 162 164
Tukimäärä, €
Kuva 2. Peltoon kohdistuvien toimenpiteiden kustannukset
Monivaikutteisen kosteikon hoitoon on mahdollista saada erityistukea 450 €/ha.
Lisäksi kosteikon perustamiseen on mahdollista saada ei-tuotannollisten investointien tukea enintään 4000€/kosteikko ha. Jaetaan investointi kymmenen vuoden ajalle, jolloin kosteikon tueksi saadaan 850€/ha. Lasketaan tämän avulla eri
kosteikkotyyppien kustannukset.
Flytträskkosteikko on pinta-alaltaan sen verran suuri, että tuki nousisi epäuskottavalle tasolle. Lisäksi kosteikko on perustettu patoamalla valmiiksi soveliaaseen alueeseen, eli perustuskustannukset ovat olleet pienet verrattuna kokoon. Arvioidaan perustamis
kustannuksiksi 5000 € ja vuotuisiksi hoitokustannuksiksi 3000 €. Jakamalla investointi kymmenelle vuodelle ja lisäämällä hoitotuki saadaan vuotuiseksi tueksi 3500 €.
Merkitään kosteikon kustannusta c), jossa alaindeksi j viittaa kosteikkotyyppiin.
Kosteikkojen kustannukset on esitetty liitteessä 3.
5.4 Toimenpiteiden vaikutukset
VI HM An aineistosta saadaan selville, kuinka paljon eri muokkaustavoilla erityyppisistä pelloista valuu kiintoainesta, partikkelifosforia, liukoista fosforia ja typpeä. Kuormitus voi riippua kaltevuudesta, P-luvusta ja maalajista. Partikkeli-
Suojavyöhykkeiden vaikutus riippuu sen yläpuolisen pellon muokkaustavasta.
Intensiivisesti muokatulta pellolta valuu enemmän kiintoainesta ja suojavyöhyke pidättää sitä enemmän. Suojavyöhykkeen vaikutukset ovat hehtaarikohtaisia olettamalla, että suojavyöhyke perustetaan 2,2 hehtaarin peltolohkolle ja on pituudeltaan 120 metriä ja leveydeltään 15 metriä. Kuormitus on tämän jälkeen suhteutettu koko pinta-alaa kohden. Merkitään partikkelifosforin kuormitusta eri toimenpiteiden pelloilla a*™, liukoisen fosforin osalta " ja typen osalta
aTMNjj • Kokonaisfosforin kuormitusta voidaan arvioida laskemalla partikkelifosfori
ja liukoinen fosfori yhteen: .
Kosteikon vaikutus riippuu sen koosta verrattuna yläpuoliseen valuma-alueeseen ja siitä, kuinka paljon peltoa sen yläpuolisella valuma-alueella on. Hovikosteikosta, alastarokosteikosta ja flytträskkosteikosta on saatavilla suoraan tieto niiden kuormitusta vähentävästä vaikutuksesta kosteikkohehtaaria kohti (Taulukko 4).
Kertomalla nämä luvut kosteikon pinta-alalla, saadaan alla olevan taulukon kuormitusvähennykset tai alastarokosteikon kohdalla mahdolliset lisäkuormitukset.
P-luku ja maalaji ja typpikuormitukseen vaikuttaa ainoastaan maalaji. Pelloilta tuleva kuormitus eri muokkaustavoilla saadaan VIHMA-aineistosta.
Taulukko 6. Kuormituksen väheneminen esimerkkikosteikoissa
Kosteikko Kokonaisfosfori kg
Liukoinen fosfori kg
Kokonaistyppi kg
Hovikosteikko 14,4 0,72 168
Alastarokosteikko 3,89 -2,26 -122,16
Flytträskkosteikko 96 18 2520
Laskennallisille kosteikoilla täytyy käyttää laskennallista vähennysarvoa. Veden ravinnepitoisuus vaihtelee vuoden mittaan, mikä vaikuttaa kosteikon tehoon.
Käytetään keskimääräistä kuormitusta referenssitasona. Kaikkien kosteikkotyyppien vaikutukset vesistökuormitukseen on esitetty liitteessä 3.
Merkitään kosteikkojen kuormituksen muutosta app,kj partikkelifosforin tapauksessa, aim,k,j liukoisen fosforin tapauksessa ja ат<яы,кj typen tapauksessa. Lasketaan kokonaisfosforin muutos liukoisen ja partikkelifosforin muutosten summana:
aTolP,k,j = aPP,k,j + QDRPJcJ ■
5.5 Kohdefunktio
Kohdefunktioksi on kolme ehdokastyyppiä, riippuen halutusta tarkastelusta.
Optimoinnissa voidaan
1) minimoida kustannuksia, kun rajoituksena on kuormituksen tavoitetaso kullekin kuormitukselle,
2) minimoida yksittäistä kuormittavaa tekijää,
3) minimoida kokonaiskuormitusta, kun käytettävissä on määrätty budjetti.
Ensimmäisessä tapauksessa määritetään kullekin kuormitukselle haluttu tavoitetasoja asetetaan ne rajoituksiksi. Kohdefunktiona on toimenpiteiden saaman ympäristötuen summa, joka halutaan minimoida:
min +ckyy tai
41 " ¡.K,PM
Toisessa tapauksessa minimoidaan jotain kuormituksista, esimerkiksi partikkeli- fosforia:
min +W -ai +2<.„лЛ.
Rajoituksena toimii käytettävissä oleva ympäristötuki ja muiden kuormitusten tavoitetasot.
Kolmannessa tapauksessa pyritään saamaan eri kuormitukset jollain tavalla yhteis
mitallisiksi. Tällöin tulisi määrittää esimerkiksi kuinka paljon fosforia tulisi vähentää, jotta vaikutus olisi sama kuin typpikilon vähentämisellä. Tähän on kehitetty useita menetelmiä, mutta pitäydytään tässä työssä yksittäisten kuormitusten tarkastelussa ja otetaan niiden yhteisvaikutukset vasta tuloksia tarkastellessa huomioon.
5.6 Rajoitteet
Alkutilanteen peltoala on jakautunut tietyllä tavalla. Oletetaan, että peltojen kaltevuudet, maalajit tai P-luvut pysyvät samoina. Määritellään rajoitukset
2
л|YK,P.M VK,P,M,missä x, on alkutilanteen pinta-ala pellolle, jolle tehdään toimenpide i ja jonka kaltevuus on K, P-luku P ja maalaji M. Mallissa voidaan peltojen osalta muuttaa vain
Jos muita rajoitteita ei määritetä, malli ratkaisee minimoitavan kriteerin teoreettisen minimin. Esimerkiksi partikkelifosforia minimoitaessa tuloksena on pienin partikkeli- fosforikuormitus, johon voidaan päästä, jos kustannukset ja muut kuormitukset saavat kasvaa vapaasti. Tuloksen avulla voidaan arvioida vähentämistavoitteiden realistisuutta, eli onko joihinkin asetettuihin tavoitteisiin ylipäänsä mahdollista päästä.
Jotta saadaan toteuttamiskelpoisempia tuloksia, voidaan rajoittaa kustannus lähtö
tilanteen tasolle. Tällöin voidaan tarkastella, onko kuormitusta mahdollista vähentää lähtötilanteesta lisäämättä kustannuksia, ja millä toimenpiteillä se tapahtuu. Olkoon lähtötilanteen kustannustaso H. Tällöin rajoitus on
KJ>M + c'y s H tai s«#"'
¡.“M j
sH.
Yhtä kuormitustyyppiä minimoitaessa muut saattavat nousta. Esimerkiksi partikkeli- fosforikuormituksen vähentäminen usein nostaa liukoisen fosforin kuormitusta.
Lisäksi kustannuksia minimoitaessa on tarpeen asettaa kuormituksille maksimitaso, jotta saadaan käyttökelpoisia tuloksia. Maksimitasona voidaan käyttää lähtötilanteen tasoa, jolloin tuloksista voidaan arvioida, kuinka paljon ja miten yhtä kuormitus- tyyppiä tai kustannusta saadaan vähennettyä ilman että tilanne huononee muun kuormituksen suhteen. Toinen mahdollisuus on pyrkiä vähentämään kuormitusta nykyiseltä tasolta. Tällöin maksimitasona voidaan pitää valtioneuvoston periaate
päätöksen mukaista 30%:n vesistökuormituksen vähenemää vuosien 2001-2005 tasosta (Ympäristöministeriö 2007). Kuormituksen muutos saadaan laskemalla toimenpiteiden vaikutukset yhteen. Olkoon kuormituksen tavoitetasot PPmax, DRPmax
PotPmax ja TotNmax. Esimerkiksi useiden kosteikkotyyppien tapauksessa rajoitukset ovat
V nKJ>M KJ>,M
/j uTol\j,ixi
Í.K.PM
'^‘bo.Nt.jZj S PotNl
Käytännössä muokkauskäytäntöjä ei saada muutettua mallin antamien tulosten mukaisiksi saman tien. Maltillisempi ratkaisu saadaan rajoittamalla toimenpiteiden muuttumista. Oletetaan, että alkutilanteen muokkaustapojen kokonaisalat saavat muuttua enintään p% peltojen kokonaispinta-alasta. Muokkaustavat saavat kuitenkin
jakautua eri tavalla eri kaltevuus-, P-luku- ja maalajiluokkiin. Tällöin saadaan toimenpiteille rajoitukset
i E {normaali syyskyntö, syysviljat, pysyvä nurmi}.
5.7 Mallin yhteenveto
Kokoamalla edellä esitetyt yhdeksi esimerkkimalliksi. Partikkelifosforikuormituksen minimoiva malli, jonka avulla voidaan vertailla peltotoimenpiteitä ja eri kosteikko- tyyppejä on
i,K,PM
St.
,KJ>M
x, z04i,K,P,M
z,e{o.\]
- 2*""“ VAf.P.M
Î I
j
V' K.P.M K,PW , rT' .n
¿y aTolPj.iXi + ^ ^7otPJi.jZj S T°tPm
< J>.M j
+ '2,aTMj,jZj s r<«Nn
¡:л.м ;
¡.KJ1.M
5.8 Laskentaohjelmista
Optimointitehtävä ratkaistiin XPress MP-ohjelmalla, joka on tarkoitettu lineaariseen optimointiin. Ratkaisussa käytettiin Simplex-algoritmia. XPress MP-ohjelmaan koodattiin Mosel-kielellä kohdefunktiot eri kuormitusten, mukaan lukien kokonais- fosforikuormituksen minimoimiseksi ja kustannusten minimoimiseksi. Mallia ajettiin erilaisilla rajoitteilla. Tarkastelemalla rajoittamatonta tilannetta, voidaan arvioida miten paljon tiettyä kuormitusta tai kustannuksia voi enintään vähentää. Rajoittamalla
aikaan. Asettamalla tavoitekuormitukseksi 30% vähemmän kuin lähtötilanteen kuormitus ja minimoimalla kustannusta saadaan selville, onko 30%:n vähennys mahdollinen, paljonko se maksaisi ja millä toimenpiteillä se voitaisiin saavuttaa.
Kutakin kriteeriä minimoitiin muiden ollessa tarvittaessa rajoituksina. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että keskitytään vain esimerkiksi partikkelifosforin vähentämiseen. Mikäli muita kuormituksia tai kustannusta ei rajoiteta, ei näiden muuttumisesta tarvitse välittää mitään. Malli laskee aina annettujen rajoitusten vallitessa optimaalisimman arvon minimoitavalle kriteerille.
Luku 6
Malliratkaisut erilaisilla kuormituksen
vähentämistavoitteilla ja rajoitteilla
Mallin avulla voidaan minimoida erikseen kutakin kuormitusta tai kustannusta.
Lähdetään liikkeelle eroosion torjunnasta, mikä tarkoittaa mallissa partikkelifosfori- kuormituksen minimointia. Tarkastellaan miten tällöin käy muille kuormituksille, eli ovatko kuormitusten vähentämiset ristiriidassa keskenään, ja pyritään löytämään ratkaisuja mahdollisiin ristiriitoihin. Minimoidaan sen jälkeen typpi kuormitusta ja vertaillaan ratkaisuja keskenään.
Toinen tavoite on verrata peltotoimenpiteitä kosteikkojen rakentamiseen. Mallin avulla voidaan saada suuntaa antavia tuloksia siitä, kuinka suuri osa tuesta menisi kosteikoiden rakentamiseen ja kuinka paljon peltotoimenpiteisiin kuten kevyemmän muokkaustavan suosimiseen tai suojavyöhykkeiden rakentamiseen. Toisaalta on mielenkiintoista tietää, millaiset kosteikot ovat kilpailukykyisiä peltotoimenpiteiden kanssa.
Kolmantena näkökulmana on minimoida kustannusta ja tarkastella, kuinka paljon kohdentamisella voidaan säästää eli kuinka paljon se antaa liikkumavaraa. Lisäksi voidaan laskea minimikustannukset, joilla voidaan saavuttaa 30%:n vähennys kuormituksessa.
Tulokset on laskettu seuraavin rajoitevaihtoehdoin:
Taulukko 7. Mallissa käytetyt rajoitevaihtoehdot
Nimi Kuvaus
Ei rajoituksia Kuormituksen määrä ja kustannukset saavat kasvaa vapaasti Kustannusrajoitus Kustannus on rajoitettu lähtötilanteen tasolle, kuormitukset
saavat kasvaa vapaasti Kustannus ja
kuormitukset rajoitettuja
Kustannus ja kuormitukset saavat olla enintään lähtötilanteen tasolla
Lisäksi on tarkasteltu erikseen tapausta, jossa toimenpiteiden muutoksia ei ole rajoitettu ja tapausta, jossa toimenpiteen alan muutos saa olla korkeintaan 5%
peltojen kokonaispinta-alasta.
6.1 Fosforikuormituksen minimointi
6.1.1 Partikkelifosforikuormituksen vähentäminen
Jos kustannuksia ei rajoiteta, partikkelifosforia vähennetään rakentamalla suoja
vyöhykkeet pelloille ja siirtymällä muokkaustavassa suorakylvöön keväällä. Osa pelloista pidetään pysyvällä nurmella. Eloperäisille pelloille mallin mukaan paras vaihtoehto partikkelifosforin vähentämisen kannalta on rakentaa suojavyöhyke ja muokata pelto kyntämällä se syksyllä.
Partikkelifosforikuormituksen minimointi
Ei rajoituksia Kustannusrajoitus Kustannus ja kuormitus rajoitettuja
Normaali Normaali Suorakylvo
syyskyntö ja syyskyntö ja syksyllä ja
suojavyöhyke _ suojavyöhyke
x 1* yZ 1%
Kuva 3. Malliratkaisun toimenpiteet partikkelifosforikuormitusta minimoitaessa eri rajoituksilla
Kun kustannukset pidetään lähtötilannetasolla, muokkaustapana on syyskyntö loivilla pelloilla, sänkimuokkaus syksyllä aina 3% kalteviin peltoihin saakka ja suorakylvo
keväällä sitä kaltevammilla pelloilla. Eloperäisten maalajien jyrkille pelloille rakennetaan suojavyöhykkeet ja muokkaustapana on syyskyntö. Pysyvä nurmi jää pois ratkaisusta, koska suorakylvö keväällä on kustannuksiin nähden tehokkaampi.
Kun rajoitetaan kaikkia kriteereitä, siirrytään hieman vähemmän sänkimuokkaukseen syksyllä ja sen sijaan syysviljoihin alle 3% kaltevuuden pelloilla, kultivointiin tai sänkimuokkaukseen keväällä 3-6% kaltevuuden pelloilla ja pysyvälle nurmelle yli 6% kaltevuuden pelloilla. Syysviljaan siirrytään varsinkin korkean P-luvun pelloilla.
Pysyvää nurmea suositaan vasta hyvin suurilla kaltevuuksilla, koska liukoisen fosforin kuormituksen rajoitus tulee vastaan.
Kustannusrajoitus
Alle 0.5% 0.5-1.5% 1.5-3% 3-6% Yli 6%
* Normaali syyskyntö ja suojavyöhyke
■ Suorakylvö keväällä
* Sänkimuokkaus syksyllä
■ Normaali syyskyntö
Kuva 4. Toimenpiteiden jakautuminen kaltevuuksien mukaan, kun minimoidaan partikkelifosforikuormitusta ja kustannus on rajoitettu lähtötilanteen tasolle
Kustannus ja kuormitukset rajoitettuja
Suorakylvö syksyllä ja suojavyöhyke Suorakylvö keväällä ja suojavyöhyke
■ Normaali syyskyntö ja suojavyöhyke 1 Pysyvä nurmi
1 Syysviljat
I Kultivointi tai sänkimuokkaus keväällä
■ Sänkimuokkaus syksyllä Alle 0.5% 0.5-1.5% 1.5-3% 3-6% Yli 6% ■ Normaali syyskyntö
Kuva 5. Toimenpiteiden jakautuminen kaltevuuksien mukaan, kun minimoidaan partikkelifosforikuormitusta ja kustannus ja kuormitukset ovat rajoitettuja
Mikäli mitään rajoituksia ei aseteta kustannusten tai muiden kuormitusten suhteen, voidaan partikkelifosforin osalta saavuttaa 51%:n vähennys. Tällöin kustannukset kasvavat 50% ja kokonaisfosforikuormituksen määrä kasvaa hieman, koska liukoisen fosforin kuormitus lisääntyy runsaasti. Lähtötilanteen kustannuksilla voidaan saavuttaa 30%:n vähennys, jolloin kokonaisfosforikuormitus alentuisi 10%.
Rajoittamalla kaikki kuormitukset ylhäältä lähtötilanteen tasolle, saadaan kuormituksesta vähennettyä partikkelifosforia lähes 30% ja kokonaisfosforia lähes 20%. Vähentämällä partikkelifosforikuormitusta saadaan vähennettyä samalla typpikuormitusta, mutta liukoisen fosforin kuormitus kasvaa. Tämän takia kokonaisfosforin kuormitusta ei saada välttämättä vähennettyä. Tulokset on esitetty alla olevassa taulukossa.
Taulukko 8. Kriteerien muutokset verrattuna lähtötilanteeseen, kun minimoidaan partikkelifosforikuormitusta
Muutos verrattuna lähtötilanteeseen
Kust. PP DRP TotP TotN
Ei rajoituksia + 50% -51% n. kaksin
kertainen + 8% -41%
Kustannusrajoitus Ennallaan - 30% + 31% -10% -11%
Kustannus ja
kuormitukset rajoitettuja Ennallaan - 27% Ennallaan -18% -2%
6.1.2 Liukoisen fosforin kuormituksen vähentäminen
Tarkastellaan mallin antamia tuloksia, kun minimoidaan liukoisen fosforin kuormitusta. Vertailemalla näitä edellisiin tuloksiin voidaan tunnistaa molempien kriteerien mukaan hyviä toimenpiteitä. Lisäksi voidaan arvioida, kuinka paljon
Tarkastellaan mallin antamia tuloksia, kun minimoidaan liukoisen fosforin kuormitusta. Vertailemalla näitä edellisiin tuloksiin voidaan tunnistaa molempien kriteerien mukaan hyviä toimenpiteitä. Lisäksi voidaan arvioida, kuinka paljon