Kainuun vesistöjen ravinnekuormitus

I-

Suomen ympäristö r s

YMPÄRISTÖN- SUOJELU

I

^.

Sirkka-Liisa Markkanen, Ahti Lepistö, Kaj Granberg, Markus Huttunen,;`

Kaarle Kenttämies, Katri Rankinen ja Kimmo Virtanen

Kainuun vesisto en ravinne uormitus

,

1:

l'

~.

~-•

~- _ . ---- .:,,~. ~ . _ ~:~,.•_' Vii!.►

may,. •S •å~ å~y

F ..

~ *Y ~' .i.l•r"- ,+ YN!, ~a7+• r

f ~~ J-•+* r-1_ ".i '

-

':

w ^••-

:

' ^ar' x .:rlf .!Tle.!.; ~~,':'•. ~' 3 R ^~ {;,.+

F rl ^'~►M~,'+7

r~'

1;`L,.1' '4 • ~y ~^.(. ;,~ q~~ ~. ^i.•y ~:~rr•• :iii,

_:

4

.' iii y,~]/ 'y~,~• s ~'~,` J'.'1~:

;

^•L j °7 r~~.p,S ,~, Lr ~d p:r d

_ SI • l~f~ i^{f.'I~lS r S •. •'r1~ - L. koi,}! ^!~••t

y;;i +r;• =¢r

',ffi", `I'~~~.

i i

^{•„ ~~~,~il,l;ti~. .i•} .+'~;i~},~ ~.~ ~. i ~, I ! ALr-1rS °~f`~~~f 1"°,'tl'T~i~.i. ,~1 ~j~.`+.'~r+l.~„(' ~1l.

~ r ~ v 1 1~'~.:~' +[~i! F rh •~~; ',~ '', i'i ~ :ti 1 ti~~e~p,~: ~. ~ ~ L ~~ , ; r f ~' P i ~ l r^'1',jL, { % ki i~► ~'i iY ~ i' 1 t ~~~ v ~

4^{'-~i}jp, ,~14 ; ~$ V?,• t l` ,.~} .~

`~~( IS 1 1 J Y i ~ 1

]1'1~ ¢`f•~~ <sup>.~.. ~l~`'y~ ,.. ~ ~</sup> ..-Y-'r•'•

. ~d~ .ity ' ~ I~ p~y'l1yi~T}W}'~' ¢!~ ~ V ~7 T^Lf ~'~ .^- ~j,•

'S. , _i'' .7' 4 L Y" ` l 4'~t~Y.9 '; 7 ..r F' ... ~i ' r ~ i i ~~if 1 •'' • ~( ri~}, e .,, 1 d !'R_'~

.. b ■ ■ • • i ■ ! ! • ! • i • • ! 9 a

• .zfIfT• •

Sirkka-Liisa Markkanen, Ahti Lepistö, Kaj Granberg, Markus Huttunen,

Kaarle Kenttämies, Katri Rankinen ja Kimmo Virtanen

ISBN 952-1 1-0959-9 ISSN 1238-7312

Kannen kuva: Suomen Ilmakuva Oy Taitto:Anneli Leinonen Paino: Kajaanin Offsetpaino

Kajaani 2001

0

. . . Suomen ympäristö 509

r

2

Menetelmät

...9

2.1 Ravinnekuormituksen arviointimalli N_EXRET ... 9

2.1.1

Mallin käyttötarkoitus ja rakenne

... 9

2.1.2

Mallin

lähtötiedot ... 12

2.1.2.1 Maankäyttö-

ja

puustotulkinta ... 12

2.1.2.2 Ominaiskuormituskertoimet ... 13

2.1.2.3

Laskeuma

ilmakehästä järviin ... 13

2.1.2.4 Pistekuormitus ... 13

2.1.2.5

Alueellinen

valunta ... 14

2.2

Järvien

ravinnepitoisuuksiin

perustuva kuormituksen arviointi

..16

2.3 Laajennetut ainetaseet ... 16

3.1 Typpi ... 18

3.2 Fosfori ... 20

3.3 Typpi-

ja

fosforikuormitus - mitatun

ja

mallinnetun

kuormituksen vertailu

... 22

3.4

Kuormituksen muutokset ja

mallitulosten

arviointi

... 23

3.4.1

Metsätalous

... 23

3.4.2

Maatalous

... 24

3.4.3 Pistekuormitus ... 25

4.1

Järvien

yleiskuvaus ... 26

4.2 Järvikohtainen

kuormitus ja

kuormituslähteiden

osuudet

... 29

4.2.1

Maankäyttöön perustuva kuormituksen arviointi

N_EXRET

mallilla

... 29

4.2.2

Fosforin

kuormitusarvioiden

vertailu

... 30

4.2.3

Eri

kuormituslähteiden

osuudet

... 31

4.3

Järvien

rehevyyden

ja

ravinnerajoitteisuuden

arviointi

... 32

4.3.1 Rehevyysluokittelu ... 32

4.3.2 Ravinneraj oitteisuus ... 33

5.1

Järvien tila ja

kuormitustaso ... 35

5.1.1

Vaarallisen kuormituksen ylittävät järvet

... 35

5.1.2 Sallittavan

kuormituksen ylittävät järvet

... 36

5.1.3

Järvet joiden kuormitus ei ylitä

sallittavaa

kuormitusta

... 37

5.2

Sisäinen ja ulkoinen kuormitus

... 38

5.3

Järvien

kunnostustarpeen

arviointi ja mahdolliset

kunnostusmenetelmät ... 39

Suomen ympäristö 509 . . .

6

Yhteenveto

...41

Tärkeimmät kuormittajat ja kuormituksen alueellinen jakauma ... 41

Järvien ravinnekuormitus ... 42

Mallivertailu ja mallitulosten arviointi ... 42

Järvien sietokyky ja minimiravinne ... 42

Kuormituksen vähentämistarpeet ja - mahdollisuudet ... 43

Kirjallisuus

... 45

Liite 1 Mallissa käytetyt maankäyttöluokat ja niitä vastaavat typen ja fosforin ominaiskuormituskertoimet ... 43

Liite 2 Järvikohtainen kokonaistyppi- ja kokonaisforsforikuormitus lähteittäin... 49

Liite 3 Järvien vedenlaatutiedot 5-vuotisjaksoina ... 50

Liite 4 Järvikohtainen tarkastelu: järvien tila ja kunnostustarve ... 56

I Vaarallisen kuormituksen ylittävät järvet ... 56

Erittäin rehevät järvet ... 56

Nimisjärvi... 56

Iso -Melanen ... 57

Vimpelinlampi... 57

Kuivajärvi ja Pieni Kuivajärvi ... 58

Karankajärvi... 59

Haatajanjärvi... 59

Rehevätjärvet ... 60

Puokiojärvi... 60

Sokajärvi... 61

Mainuanjärvi... 62

Sotkamojärvi ... 63

Syvä Tervajärvi ... 64

Särkijärvi ... 64

Lievästi rehevät järvet ... 65

Iijärvi... 65

Salmijärvi... 66

Pirttijärvi ... 67

Karut järvet ... 68

Tormuanjärvi... 68

II Sallittavan kuormituksen ylittävät järvet ... 69

Rehevätjärvet ... 69

Saaresjärvi... 69

Vuokkijärvi... 70

Jumalisjärvi... 71

Korpijärvi... 72

Heinonen ... 72

Lievästirehevät järvet ... 73

Pieni Pesiöjärvi ... 73

0

... Suomen ympäristö 509

Rehja-Nuasjärvi

...

73

Iso-Kiimanen

...

74

Sumpsa

...

75

Iso-Sapsojärvi

...

⁷⁵

Kiantajärvi

...

76

Kellojärvi

...

⁷⁷

Saunajärvi

...

78

Karut järvet

...

79

Hossanjärvi

...

79

III Järvet joiden kuormitus ei ylitä sallittavaa kuormitusta

...

80

Rehevätjärvet

...

⁸⁰

Paatinjärvi

...

80

Lievästi rehevät järvet

...

⁸⁰

Otermajärvi

...

80

Kivesjärvi

...

⁸¹

Uva

...

82

Pesiöjärvi

...

⁸³

Jormasjärvi

...

84

Ontojärvi

...

⁸⁵

Karut järvet

...

⁸⁶

Särkinen

...

36

Kiantajärvi

...

37

Mikitänjärvi

...

⁸⁸

Lentua

...

38

Lentiira

...

⁹⁰

Änättijärvi

...

⁹⁰

Liite 5 Esimerkkejä kuormitusmuutosten vaikutuksesta järven tilaan... 92

Liite 6 Kokonaistyppi- ja kokonaisfosforikuormitus sekä kuormituslähteiden osuudet vesistöalueittain Kainuussa

...

⁹⁴

Suomen ympäristö 509 . . .

VIvI-f:i ^1M

Vesiensuojelu suuntautuu entistä enemmän hajakuormituksen vähentämiseen.

Vesiensuojelutavoitteet on asetettu erikseen eri maankäyttömuodoille ja toimialoil- le. Sen vuoksi hajakuormituskin tulee pystyä erittelemään maankäyttömuodoit- tain. EU:n vesipolitiikan puitedirektiivi edellyttää vesistöaluekohtaistenhoitosuun- nitelmien tekemistä ja vesistöjen kunnostamista niin, että ne saavuttavat alkupe- räisen hyvän tilansa tietyn ajan kuluessa. Tämä Euroopan Unionin aluekehitysra- haston ja ympäristöministeriön kansallisen rahoituksen turvin toteutettu projekti pyrkii etsimään keinoja edellä mainittujen tavoitteiden saavuttamiseksi.

Projektiin ovat osallistuneet Suomen ympäristökeskus, Keski-Suomen ym- päristökeskus ja Kainuun ympäristökeskus, joka on ollut projektin vastuutaho.

Projektin ohjausryhmässä on ollut edustettuna Kainuun metsäkeskus, Kainuun TE-keskus, Metsähallitus, Suomen ympäristökeskus ja Kainuun ympäristökeskus, jonka edustaja, apulaisjohtaja Seppo Moilanen, on toiminut ohjausryhmän puheen- johtajana ja osastopäällikkö Sirkka-Liisa Markkanen projektin vastuuhenkilönä.

Projektiryhmään ovat kuuluneet erikoistutkija Ahti Lepistö, limnologi MML Kaarle Kenttämies ja DI Katri Rankinen Suomen Ympäristökeskuksesta, MMT Kaj Gran- berg Keski-Suomen ympäristökeskuksesta sekä Sirkka-Liisa Markkanen ja pro- jektitutkija Kimmo Virtanen Kainuun ympäristökeskuksesta.

Projektijulkaisun hajakuormitusosasta vastaa pääosin Ahti Lepistö, järvikoh- taisista fosforimalli- ja ainetaselaskelmista Kaj Granberg ja järvien tilaa ja kunnos- tustarpeita koskevasta osasta Kimmo Virtanen ja Sirkka-Liisa Markkanen. Katri Rankinen on ollut mukana erityisesti maatalouden ominaiskuormituksen mää- rittämisessä ja Markus Huttunen alueellisen valunnan laskemisessa. Kaarle Kent- tämies on toiminut asiantuntijana vesiensuojeluun ja erityisesti metsätalouteen liittyvissä asioissa. Kimmo Virtanen on vastannut julkaisun kokoamisesta ja toi- mittamisesta.

0

. . . . . . . . . . . . . Suomen ympäristö 509

Vesiensuojelutoimien oikeaan kohdentamiseen tarvitaan yhä tarkempaa tietoa kuormituksen määrästä ja alkuperästä. Vesistö- ja valuma-aluekohtainen vesien- suojelun suunnittelu korostuu muun muassa EU:n vesipolitiikan puitedirektiivin myötä.

Rehevöityminen on Suomessa edelleen vesiensuojelun keskeisin ongelma.

Suurin osa vesistöjemme kuormituksesta on nykyisin hajakuormitusta. Maata- lous on valtakunnallisesti tärkein yksittäinen vesistöjen kuormittaja. Koko Suo- men vesistöjen typpikuormituksesta yli puolet on peräisin maataloudesta. Kuor- mitus on suurinta voimaperäisen viljelyn alueilla maan etelä- ja länsiosissa. Met- sätalouden - hakkuut, ojitukset ja lannoitukset - osuus vesistöjen kuormituksesta on koko maan mittakaavassa pieni, mutta alueellisesti ja paikallisesti se on usein hyvinkin merkittävä. Etenkin maan itä- ja pohjoisosissa metsätalouden kuormi- tusosuus on suuri. Kainuussa metsätalous on merkittävin vesistöjen typpikuor- mittaja ja myös suuri fosforikuormittaja.

Oulujoen vesistö koostuu neljästä osasta: Oulujoesta, Oulujärvestä ja siihen laskevista Hyrynsalmen ja Sotkamon reiteistä. Pääosa vesistöstä on säännöstelty voimataloudellisesti 1950-60-luvuilta lähtien. Kainuun reittivedet ovat järvival- taisia. Yli 1 ha kokoisia järviä Kainuussa on runsaat 5000.

Kainuun vesistöjen tilaa on tutkittu melko paljon viimeisten 30 vuoden aika- na. Monien järvien tila on tänä aikana muuttunut huonompaan suuntaan. Yleises- ti syynä on ollut hajakuormituksen lisääntyminen 1960-,1970- ja 1980-luvuilla maa- ja metsätaloudessa sekä laskeumassa tapahtuneiden muutosten seurauksena. Met- sien lannoitus, soiden ojitus ja laajat avohakkuut ovat vaikuttaneet Kainuun ve- sistöihin voimakkaimmin 1960- ja 1970-luvuilla. Samanaikaisesti myös Kainuun karjatalousvaltaisen maatalouden vesistökuormitus lisääntyi, ennen muuta karja- talouden suorien päästöjen vuoksi. Maatalouden intensiteetti oli tuolloin huomat- tavasti nykyistä voimakkaampaa. 1990-luvulla maatalouden kuormituksen vähen- tämiseen on panostettu Aito-ympäristö -projektin keinoin mm. tilakohtaisia ym- päristöohjelmia tekemällä ja EU:n maatalouden ympäristötukiehtojen avulla. Sa- manaikaisesti karjan määrä ja viljelty peltoala on pienentynyt. Metsätalouden oji- tukset ovat vähentyneet, lannoitus on lähes loppunutja maanmuokkaus- sekä hak- kuutavat ovat muuttuneet metsien moninaiskäyttöä arvostavampaan suuntaan.

Yleisesti vesiensuojelu on alettu sertifiointivaatimusten myötä ottaa paremmin huo- mioon.

Pistekuormitus on vaikuttanut Kainuun vesistöihin muutamilla alueilla huo- mattavasti 1950-1970-luvuilla, mutta haitat ovat oleellisesti vähentyneet 1980- ja 1990-luvuilla. Pistekuormittajista merkittävimpiä ovat kalankasvatus, puunjalos-

tusteollisuus ja taajamat.

Arvioitaessa ravinnekuormituksen vaikutuksia vesistöihin pitäisi tietää, mi- ten typpi ja fosfori kulkeutuvat ja pidättyvät (sedimentaatio, denitrifikaatio) sisä- vesissä. Järvet pidättävät molempia ravinteita vaihtelevissa määrin, mutta pro- sentuaalisesti lähes aina enemmän fosforia kuin typpeä. Laajemmassa mittakaa- vassa typen ja fosforin pidättymistä Suomen sisävesialueilla ei tunneta (Pietiläi- nen & Räike 1999). Tämä on yksi syy uuden N_EXRET -ravinteiden huuhtoutu- mis- ja pidättymismallin testaamiseen kooltaan ja kuormitukseltaan suuresti vaih-

Suomen ympäristö 509 . . .

televissa Kainuun vesistöissä. N_EXRET-mallissa käytetään satelliittikuviin pe- rustuvaa maankäyttö- ja puustotulkintaa valuma-alueittain tapahtuvassa hajakuor- mituksen arvioinnissa. Tällöin saadaan selville kuormitustason lisäksi myös eri kuormituslähteiden suhteelliset osuudet, sekä arvio siitä kuinka suuri osuus kuor- mituksesta pidättyy alueen vesistöihin.

Monet merkittävät järvet Kainuussa on todettu yhteisrajoitteisiksi mineraali- typen ja fosfaattifosforin pitoisuuksien perusteella arvioituna (neljäs ravinnera- joitteisuusluokka, ks. Pietiläinen & Räike 1999), mikä korostaa molempien päära- vinteiden kuormitustarkastelun tärkeyttä. Vaikka typpi ei aiheuttaisikaan rehe- vöitymistä vesistöalueen yläosissa, se voi olla minimiravinne vesistöalueen ala- osissa tai viimeistään merialueella.

Tutkimukseen valittiin 44 erityyppistä järveä Kainuusta. Näistä 20 järvelle arvioitiin kuormituslähteiden suhteelliset osuudet N_EXRET-mallilla. Laskettuja järvikohtaisia fosforikuormituksia verrattiin järvien nykytilaan perustuvaan, ti- lastollisella rehevöitymismallilla laskettuun kuormitukseen. Järvien fosforikuor- mitusta verrattiin laskennalliseen sallittavaan ja vaaralliseen kuormitukseen koko järvijoukolle. Tällä perusteella arvioitiin järvien lisäkuormituksen sietokykyä ja sietokyvyn ylittymistä. Ainetaselaskelmien avulla tarkasteltiin järvien ulkoisen ja sisäisen kuormituksen suhdetta. Lisäksi järvien nykytilan, kuormitustason ja kuor- mituslähteiden jakautuman perusteella arvioitiin järvien kunnostustarvetta ja kuor- mituksen vähentämismandollisuuksia.

0

. . . . . . . . Suomen ympäristö 509

Menetelmät

...

^S

•••

2.

! Ravinnekuormituksen arviointimalli N EXRET

2. I. I Mallin käyttötarkoitus ja rakenne

Hankkeessa sovellettiin Suomen ympäristökeskuksessa kehitettyä paikkatietopoh- jaista N_EXRET-ravinnekuormituksen arviointimallia (Nutrient EXport and RE- Tention; ks. Lepistö et al., 2001) (kuva 1), jolla arvioitiin metsätalouden toimenpi- teiden, maatalouden, haja-asutuksen, turvetuotantoalueiden, laskeuman ja piste- kuormituksen osuudet ravinnekuormituksesta (typpi ja fosfori) sekä määritettiin kuormituksen vaihtelu alueellisesti. Malli sovellettiin aluksi Oulujoen vesistöalu- eelle ja mallituloksia testattiin viereisillä kolmella vesistöalueella (kuva 2).

Laskeuma

N, Pistekuormitus

^Np

Vesistöalueen osa-alue n:

Mitattu alueelle tuleva

N-ainevirtaama N,

/ Retentio Neten

^tio

Typen kuormitus maaperästä veteen,

N u

Hakkuualueet kivennäis/turvemailla

Taimikot

Turvemaat, ojitetut

^ja

luonnontilaiset Avosuot

Turvetuotantoalueet

Metsät

kivennäismailla

Pellot

Haja-asutusalueet

Kuva I. N_EXRETmallin rakenne; typpivirrat ja massatasapaino

vesistöa!ueen

^osa

-

^alueelle

n

(Lepistö

et al.

^2001).

Mallinnettu N-aineyirtaama N..a,

Mitattu

N-anevirtaama

N

,,,

^giv,

Suomen ympäristö 509

. . . 0

59 Oulujoen vesistöalue

Myllypuron

tutkimusvaluma-alue 0 40 80 120 160 ^{200 240}

km

Kartta-aineistot: (c) Maanmittauslaitoksen ^{lupa nio} 7^/MYY/01

Kuva 2. Oulujoen vesistöalue osa-alueineen (59.1-59.9).

Mallin avulla voidaan laskea, kuinka suuri osa kuormituksesta pidättyy vesistö- alueen eri osien järvialtaisiin ja kuinka paljon päätyy mereen asti. Sen avulla voi- daan myös ennustaa, miten maankäytössä tapahtuvat muutokset vaikuttavat kuor- mitukseen. Arviointijärjestelmässä käytetään rasteripohjaista GIS-ohjelmistoa yh- dessä muiden sovellusohjelmien kanssa.

Valuma-alueilta mitattua yksityiskohtaista tietoa alueellistetaan vesistöalue- mittakaavaan. Lisäksi hyödynnetään maanmittauslaitoksen ja metsäntutkimus- laitoksen alueellista maankäyttö- ja puustotulkinta-aineistoa sekä ympäristöhal- linnon veden laadunja hydrologian seuranta-aineistoja. Alueellinen valurnan vaih- telu lasketaan Suomen ympäristökeskuksessa käytössä olevalla vesistömallilla.

Tällöin voidaan laskea kuormituksen vaihtelua erilaisina, kuivina tai sateisina, vuosina.

Edellä kuvatulla laskentatavalla voidaan osittaa ravinnekuormitus sen läh- teisiin tarkasteltavan järven valuma-alueella, jolloin kuormituksen vähentämis- toimet voidaan suunnata tehokkaasti. Toisaalta voidaan erottaa ne alueet, joilla jonkin kuormittavan tekijän osuus on huomattava, esim. yli 50%, 40-50%, 30-40%

jne.

0

... Suomen ympäristö 509

Typen

bruttokuormitus

maaperästä veteen jokaiselta, tarkasteltavan alueen

1 km x1

km:n

hilaruudulta (Nexgrid)

lasketaan

yhtälön (1)

mukaan:

n

Nexgr.d = Y, Ai

ei

(1)

i

=1

jossa:

Nex-grid =

typen

bruttokuormitus

kunkin

hilaruudun

maaperästä veteen

[kg

ha-la-

I]

Ai =

osuus

hilaruudusta,

joka

on maankäyttöluokkaa

i

ei

= maankäyttöluokan

i

ominaiskuormituskerroin [kg ha'a 1]

n = maankäyttöluokkien

lukumäärä

Typen

kokonaiskuormitus

maaperästä veteen

(Nex)

osa

-

alueella

n

lasketaan alueen

hilaruutujen osakuormitusten _(Nexgrid ) summana. Massatasapaino vesis- töalueen

osa

-

alueen

n luusuaan

(kuva

1)

lasketaan

yhtälön 2

mukaan:

Nmod_nux = N N +( Nabove+ N + Ndep) - Nret_i (2)

jossa:

Nm.d_flUx = mallinnettu N -ainevirtaama

alempana olevalle osa

-

alueelle

[kg 1]

N =

typen

kokonaiskuormitus

maaperästä veteen osa

-

alueella

n [kg a-']

=

typen

pidättyminen

osa

-

alueen

turvemaille [kg a 1]

yhtälö

3

NabOVe =

mitattu

N-ainevirtaama ylemmistä

osa

-

alueista

[kg a']

NP =

typen

pistekuormitusten summa

osa

-

alueella

[kg a1]

Ndep = DAIQUIRI-

mallilla

estimoitu typpilaskeuma

vesistöjen pinnal- le

[kg a-']

N U 1 =

typen

pidättyminen

osa

-

alueen vesistöihin

[kg a1],

yhtälö

4

[Naqua =

suora

typpikuormitus

osa

-

alueen vesistöihin

=N above + NP + Ndep ]

Pidättymisen suoalueille

ja

järviin

oletetaan olevan kullakin vesistön osa

- alueella

vakio, suoraan verrannollinen

turvemaiden

ja järvien

pinta-

alaan.

Se

esti

- moidaan pidättymiskertoimien a

ja

b

(yhtälöt

3

ja

4)

avulla:

re[ v =x *a (3)

jossa:

x = turvemaiden pinta

-ala osa

-

alueella

[ha]

a = pidättymiskerroin (retentio); turvemaat [kg ha'a']

Nret , = y * b (4)

jossa:

y =

vesistöjen

pinta

-ala osa

-

alueella

[ha]

b = pidättymiskerroin (retentio),

vesistöt

[kg ha'a']

Fosforin kuormitus laskettiin vastaavalla tavalla kuin

typellä. Fosforikuor- mituksen pidättymisen - sedimentoitumisen -

tarkasteltavan osa

-

alueen

järviin (Piet i )

oletettiin olevan suoraan verrannollinen vesipinta

-

alaan.

Suoalueille

pidät

- tymiseen

ei ole vastaavia teoreettisia perusteita kuin

typellä,

joten

suoalueita

ei otettu yhtälössä huomioon. Kunkin

kohdejärven

valuma

-

alueen

kokonaisfosfori- kuormituksesta

vähennettiin kyseisen

kohdejärven

yläpuolella oleviin

järviin pi- dättynyt fosfori

(yhtälö

5).

Suomen ympäristö 509 . . .

piuput_fluxPex + Pp + Pdep - Pret_I_above (5) jossa:

Pinput_flux = mallinnettu järveen tuleva P-kuormitus [kg a 1]

'ex = fosforin kokonaiskuormitus maaperästä veteen alueella n [kg a-1^]

Pp = fosforin pistekuormitusten summa osa-alueella [kg a1]

Pdep = fosforilaskeuma vesistöjen pinnalle [kg a 1]

PretIabove _{_ _} = ^fosforin pidättyminen valuma-alueen vesistöihin kohdejärven yläpuolella [kg a-'], vrt. yhtälö 4

Mereen asti päätyvän fosforikuormituksen vuosivaihtelu laskettiin kaavalla 6, jossa kokonaiskuormituksesta vähennetään tarkasteluvuoden virtaamalla pai- notettu pidättyminen vesistöalueen järviin:

P^sea_flux = [ (ggrid / iverage) Pex-grid ] + Pp + Pdep - (Qn / Qaverage Pret_I) (6) jossa:

qgrid = tarkasteltevan vuoden valunta 1*1 km hilaruudussa

gavetage =pidemmän jakson (1990-1999) keskivalunta 1*1 km hilaruudussa

Pex_grid = ^fosforin bruttokuormitus kunkin hilaruudun maaperästä veteen [kg a']

Psea_flux = mallinnettu fosforin vuosikuormitus mereen

QR = tarkasteltavan vuoden keskivirtaama

Qaverage = pidemmän ajanjakson keskivirtaama

Pret_I = ^fosforin pidättyminen vesistöihin

= vesistöjen pinta-ala vesistöalueella [ha] * pidättymiskerroin [kg hala 1]

Oletetaan siis, että sateisina vuosina - keskivirtaaman ja kuormituksen olles- sa suuri - alueen järviin pidättyy suurempi osa kuormituksesta.

2.1.2.1 Maankäyttö- ja puustotulkinta

Ravinteiden huuhtoutumisen mallintaminen laajoilla alueilla vaatii muun muas- sa tarkkoja tietoja puustosta ja maankäytöstä. Tarkkojen vuosittaisten tietojen saa- minen siitä, millaisia toimenpiteitä metsissä on tehty ja missä, on kuitenkin nykyi- sellään hankalaa. Eri organisaatioiden paikkatietojärjestelmät ovat erilaisia ja osa tiedoista on edelleen pelkästään manuaalista.

N_EXRET-mallissa käytetään maanmittauslaitoksen satelliittikuviin perus- tuvaa maankäyttö- ja puustotulkintaa. Tulkinta sisältää kaikkiaan noin viisikym- mentä erilaista puusto- ja maankäyttöluokkaa, ja aineisto kattaa koko Suomen (Vuorela 1997). Mallissa ravinnekuormitukseen vaikuttavia maankäyttöluokkia ovat: hakkuu- ja taimikkoalueet, kivennäismaiden metsät, avosuot, korvet, rämeet, turvetuotantoalueet, pellot ja haja-asutusalueet (ks. tarkemmin Lepistö et al., 2001 ja liite 1).

Hakkuukuviotietojen ja satelliittipohjaisen maankäyttö- ja puustotulkinnan hakkuualueiden yhteyksiä ja eroja on tarkasteltu Hyrynsalmella (N 64°42, E 28°37) sijaitsevalla Myllypuron testivaluma-alueella (9,9 km2; kuva 2) (ks. Lepistö & Kent- tämies 1998). Alue on kuulunut 1960-luvun alusta asti vesi/ympäristöhallinnon

. . . Suomen ympäristö 509

pienten valuma-alueiden seurantaohjelmaan. Valuma-alue jaettiin 25x25 m pikse- leihin, jotka jaettiin neljään luokkaan: 1) pikseli on hakkuualue sekä kuviodatan että satelliittipohjaisen tulkinnan mukaan 2) ei ole hakkuualue kummankaan ai- neiston mukaan, sekä 3) ja 4) toisen aineiston mukaan on, toisen ei. Jaksolla 1981- 90, tarkasteltaessa uusinta maankäyttö- ja puustotulkintaa (versio 3), 93 % valu- ma-alueen pikseleistä oli tulkittu oikein. Tarkastelu tehtiin myös edelliselle tul- kinnalle (versio 2), sekä pidemmälle jaksolle 1964-1990, jolloin mukana tarkaste- lussa olivat myös maankäyttö- ja puustotulkinnan taimikkoluokat.

2.1.2.2 Ominaiskuormituskertoimet

Yksi mallinnuksen ongelmia on valuma-alueilta mitatun tiedon, ominaiskuormi- tuskertoimien, alueellistaminen. Maa- ja metsätalouden toimenpiteiden vaikutuksia on mitattu monissa kokeellisissa tutkimuksissa, mutta mitkä arvot kuvaavat par- haiten tilannetta isoilla alueilla? Kuinka pitkään toimenpiteet vaikuttavat? Miten tarkastella eri vuosien hydrologista vaihtelua?

N_EXRET-mallia kehitettäessä on pidetty tärkeänä, että kokeelliset ominais- kuormitusarvot arvioidaan ja testataan testivaluma-alueilla. Testialueena on tässä käytetty yllämainittua Myllypuron valuma-aluetta (kuva 2), jolta on käytettävissä mitatut, 20-30 vuoden ravinnekuormituksen aikasarjat (ks. Lepistö & Kenttämies, 1998). Metsätalouden toimenpiteistä alueella on olemassa tarkat tiedot. Vuotuiset kuviotiedot - hakkuut, ojitukset ja lannoitukset - vuosina 1964-1990 valuma-alu- eella, sekä lannoitusmäärät on koottu METVE-projektin yhteydessä paikalliselta metsäviranomaiselta (Saukkonen & Kortelainen, julkaisematon aineisto).

Maatalouden ominaiskuormitukseen sisältyy erikseen laskettu karjatalouden kuormitus. Kuormitus koostuu lietelannan peltolevityksestä, lantaloiden suorista päästöistä ja laidunnuksesta. Kuormituksen määrä on arvioitu eläinmäärien ja lan- nan keskimääräisen ravinnesisällön perusteella.

Mallissa käytetyt typen ja fosforin ominaiskuormituskertoimet ovat peräisin useista eri tutkimuksista pienillä, hyvin tunnetuilla tutkimusvaluma-alueilla Suo- messa ja osin Keski-Ruotsissa (ks. liite 1 sekä kirjallisuusviitteet).

2.1.2.3 Laskeuma ilmakehästä järviin

Valuma-alueiden järviin ilmakehästä tuleva typpilaskeuma arvioitiin Suomen ym- päristökeskuksessa ja Ilmatieteen laitoksessa kehitetyllä DAIQUIRI-mallilla (Syri et al. 1998), joka ottaa huomioon sekä kaukokulkeuman että paikalliset päästöt.

Fosforikuormitus interpoloitiin ympäristöhallinnon laskeumahavaintoverkon tutkimusalueella sijaitsevilta asemilta. Interpoloinnin perusteena käytettiin vuo- sijakson 1990-1994 vuosimediaanien keskiarvoa. Mediaaneja käytettiin fosforilas- keumamittauksissa olevien epätarkkuuksien poistamiseksi.

2.1.2.4 Pistekuormitus

Kokonaiskuormituksen mallintaminen edellyttää pistekuormitustietojen mukaan- liittämistä vesistöalueittain. Pistekuormitustiedot poimittiin VAHTI-tietokannas- ta vuosilta 1990-1999 olevista tiedoista. Tässä tapauksessa kuormituslähteinä otet- tiin huomioon kalankasvatus, asutus ja teollisuus. Sensijaan turvetuotannon si- joittuminen ja laajuus on peräisin maankäyttö- ja puustotulkinnasta (kappale 2.1.2.1), johon tiedot on digitoitu VAPO:n karttamateriaalista.

Suomen ympäristö 509 . . .

2.1.2.5 Alueellinen valunta

Vesistömallilla simuloidaan

hydrologista kiertoa käyttäen

lähtötietoina

tavanomai- sia

meteorologisia

havaintoja.

Vesistömalli on konseptuaalinen

hydrologinen malli, joka

simuloi valuntaa

käyttäen

sateen,

lämpötilan ja potentiaalisen

haihdunnan

havaintoja (ks. Vehviläinen

1992).

Mallin pääosat. Hydrologisen mallin

pääosat

ovat sadanta

-,

lumi

-,

maan- kosteus- ja

pohjavesimalli. Vesistömallia

muodostettaessa

vesistöalue

jaetaan aluksi osa

-

alueisiin valuma

-

alueiden jaon mukaisesti, käyttäen kolmannen

jakovaiheen

alueita (Ekholm

1993).

Päämääränä

on

jakaa

vesistöalue

pieniksi osa

-alueiksi

niin, että alueet ovat

homogeenisia mm.

korkeuden, maankäytön ja

lumen

jakauman mukaisesti. Näin vältetään

yhdistämästä hydrologisesti

hyvin erilaisia alueita sa- maan osa

-

alueeseen.

Vesistöalue

jaetaan

50 - 500 km2

kokoisiin alueisiin, joita

on

tyypillisesti

30-50

kappaletta. Oulujoen

vesistömallissa

osa

-

alueita

on 35. Simu- loinnin

tuloksena saadaan jokaisen osa

-

alueen

valunta.

Osa

-

alueiden

valunnat

syötetään edelleen joki- ja

järvimalleihin.

Hydrologinen malli,

jokimalli

ja järvi

- malli

muodostavat yhdessä

vesistömallin.

Säännöstellyt, suuret

säännöstelemättömät,

sekä muuten tärkeät järvet ku- vataan mallissa

järvimalleilla. Järvimallin

käyttö mahdollistaa

simuloimaan

tar- kemmin järvien tilavuuden ja

virtaaman

ja sitä kautta alueellisen

valunnan simu- lointi tarkentuu.

Niiden järvien, joita ei kuvata

järvimalleilla,

vaikutus

virtaamaan

huomioidaan

välivaraston,

pohjaveden ja

virtaaman viivemalleissa.

Korkeusmalli. Vesistömalliin

otettiin käyttöön valuma

-

alueen

korkeusmalli,

jota hyödynnetään

aluesadannan

ja lämpötilan laskennassa. Käytetty

korkeusmalli on

varsin tarkka, siinä maanpinnan korkeus ilmoitetaan

25x25 m ruuduille.

Kor

- keusmallin

perusteella laskettiin

vesistömallin

osa

-

alueiden

keskikorkeudet.

Osa

- alueiden aluesadetta

ja

aluelämpötilaa

laskettaessa

asemahavaintoja

korjattiin

havaintoasemien

ja alueiden välisen

korkeuseron

mukaisesti. Käytetty

sateen

kor- jaus oli

+10 %/ 100 m

ja lämpötilan

-1 °C / 100 m,

eli

korkeammilla

alueilla oletet- tiin

satavan

keskimäärin enemmän ja olevan keskimäärin kylmempää.

Lasketut valunnat.

Oulujoen

vuosivalunnat jaksolle 1990-99

arvioitiin

simu- loimalla

malli

jaksolle 1.8.1988-31.12.1999. Simulointi

aloitettiin

1,5

vuotta

tarkas- teltavaa

jaksoa aikaisemmin, jotta mallin tila eli

maankosteus-

ja

pohjavesivaras- tojen alkutilanne

saatiin arvioitua riittävän hyvin.

Simuloinnin

tuloksena saatiin

vuosivalunnat

kaikille alueen

3. jakovaiheen

valuma

-

alueille.

Kuvassa

3 on

esimerkkinä

simuloitu valunta

Oulujoen alueella vuonna

1990 (vähäsateinen

vuosi) ja vuonna

1998

(sateinen vuosi). Mallin

simuloinnissa

voi parhaiten luottaa suurten alueiden, eli mallin

korjauksessa

käytettyjen valuma

- alueiden keskimääräisiin valumiin.

Sensijaan pienten alueiden

valumien simu- lointi

ei ole yhtä luotettavaa. Syynä tähän

on

ensinnäkin

se,

että harvasta

sadease- maverkosta

ei voida tarkasti arvioida pienten alueiden todellisia sateita ja toisaal- ta

vesistömallin kalibrointirutiinia

täytyisi korjata niin että eri muuttujien

alueel- linen

jakauma olisi

todenmukaisempi.

. . . Suomen ympäristö 509

¶:-

^F)

:::

1,

Vuosivalunte (mm)

^{*• ~} -_ f 1 y . L`~

Zoo Saa

t 1 Soo - 400

400-500

500-600 600-700

>700

Kartta-aineistot: (c) Maanmittauslaitoksen lupa nro 7/MYY/01

1990 :.

.-: J:

'

•J_~',~I tim'

Kartta-aineistot: (c) Maanmitlauslaitoksen lupa nro 7/MYY/01

Kuva 3. Vesistömallilla simuloitu valunta Oulujoen vesistöalueella sateisena vuonna 1998 ja vä- häsoteisena vuonna 1990. Vuonna 1990 keskivirtaama mereen oli 195 m's' ja vuonna 1998 3 I4 m-3s-'.

Suomen ympäristö 509 . . . 0

2.2 Järvien ravinnepit®isuudcsiin perustuva kuormituksen arviointi

Järvien ainetaseissa tarkastellaan tavallisesti ravinteiden tulokuormaa, lähtökuor- maa ja pidättymistä järveen (sedimentaatio). Empiirisesti sedimentaatio määrite- tään ainetasetutkimuksessa tulevan ja lähtevän ainevirtaaman erotuksena. Tämä on tarjonnut mahdollisuuksia esimerkiksi fosforin sedimentaatiota kuvaavien mallien kehittämiselle (Lappalainen 1974 ja 1977, Dillon & Rigler 1974, Frisk 1978 ja 1983).

Kun tunnetaan järven fosforipitoisuus, teoreettinen viipymä, luusuan keski- virtaama ja järven tilavuus, voidaan seuraavalla Friskin (1979) yhtälöllä arvioida fosforin tulokuorma:

I = 0,158

Q

T ^{(C * T -} 280 + 78400 - 448CT + CZTz) (7) jossa:

I = järveen tuleva fosforikuorma (t P ^å')

C = keskimääräinen järven (luusuan) kokonaisfosforipitoisuus (mg m 3⁾ Q =luusuan keskivirtaama (m3 s')

T = teoreettinen viipymä (kk)

Kokonaistypen tulokuorma laskettiin kertomalla pitoisuudesta laskettu läh- tevä typpikuorma fosforin tulo- ja lähtökuorman suhteella. Fosfori- ja typpikuor- mista laskettiin ns. laajennetut ainetaseet, joista arvioitiin sisäinen kuormitus.

Järvien fosforikuormitussieto, ns. sallittava ja vaarallinen fosforikuorma, mää- ritettiin Vollenweiderin ja Dillonin (1974) aineistoista lasketuista tilastollisista yh- tälöistä (yhtälöt 8 ja 9). Laskentamallin teorian mukaan sallittavan kuormituksen ylitys johtaa aluksi vesistön lievään rehevöitymiseen (mesotrofia), ja vaarallisen kuormituksen ylitys lopulta rehevöitymiseen (eutrofia). Mikäli arvot ovat lähellä jotain arvioitua rajaa, päätelmien apuna käytetäänjärven muita laatuominaisuuk- sia, kuten esimerkiksi happipitoisuutta, perustuotantoa tai a-klorofyllia.

Sallittava fosforikuorma on

Pa = 0,055 ^x°'635 (8)

Vaarallinen fosforikuorma on

Pd = 0,174 ^{X 0,469} (9)

jossa:

P = fosforin vuosikuorma pinta-alayksikköä kohti g P m-2^å'

x = qs = vuosivirtaama m3 /järven pinta-ala m2. Tulokset ilmoitetaan

= yksiköissä kg P d-1 ja g P m 2a 1^.

fr

Laajennettujen ainetaseiden avulla voidaan tarkastella järvien sisäistä kuormaa ja ravinteiden kiertoa. Näissä taseissa huomioidaan tulokuorman, sedimentoituvan kuorman ja lähtevän kuorman lisäksi ravinteiden bruttosedimentaatio ja takaisin

0

... Suomen ympäristö 509

palautuminen eli sisäinen kuormitus. Sisäiseen kuormaan kuuluu pohjasta liuke- nevan kuorman lisäksi myös biomassassa kiertävä ravinnekuorma. Karuissa jär- vissä sisäinen kuorma on pääasiassa planktonissa kiertävää ravinnekuormaa. Si- säisen (fosfori) kuorman perusyhtälö on Lappalaisen ja Matinveden (1990) mu- kaan seuraava:

SK = LP + BS + dP/ dt - UK (10)

jossa:

SK = sisäinen kuorma eli palautuminen pohjasta takaisin veteen, ravinteiden sitoutuminen ja kierto biomassassa

LP =luusuasta ja kalansaaliin mukana poistuva fosfori/ typpikuorma BS = bruttosedimentaatio kiintoaineen mukana pohjalle

dP / dt = vesimassan (mukaan lukien plankton) ravinnevaraston (fosfori, typpi) muutosnopeus

UK = sisältää kaikki ulkoiset kuormituslähteet, myös luonnon- huuhtouman

Bruttosedimentaatio voidaan laskea perustuotannosta. Biomassaan sitoutuu ravinteita perustuotannon hiilen mukana hiili:typpi:fosforisuhteen (C:N:P) mu- kaisesti. Tässä työssä on käytetty suhdetta 100:13:2,8 (Granberg 1973), mikä on piilevien mukaan painotettu suhde ja myös hyvin lähellä keskimääräistä mitattua sedimentaatiosylintereihin laskeutuneen orgaanisen aineksen C:N:P-suhdetta.

Samat ravinnemäärät voidaan määrittää myös perustuotannon kautta, koska pe- rustuotanto on biologisen tuotannon dynaaminen määritysmenetelmä ja antaa kuvan siitä, mitä vesistössä tapahtuu.

Suuretta dP / dt ja dN / dt ei aina voida määrittää aineiston vähäisyyden vuoksi, ja tällöin taseessa oletetaan, että kasvukauden aikana ravinnesisällön muutos = 0.

Näin on tehty tässäkin työssä. Laajennettu ravinnetase on laskettu vain kesäajalle.

Denitrifikaatio estimoitiin ainetaseeseen perustuen. Denitrifikaatio tapahtuu pääasiassa anaerobisessa sedimentissä. Kohonnut denitrifikaatio (> 5 mgN m 2d-1⁾ on ominaista reheville järville.

Typen nettosedimentaatio (S) on:

S=Sb-IS=I-O-dm/dt-(D-F) (11)

jossa:

Sb = bruttosedimentaatio Is = sisäinen kuormitus

I = kaikki ulkoinen kuormitus, mukana luonnonhuuhtouma ja hajakuormitus

0 =luusuasta ja kalansaaliin mukana poistuva ainevirtaama

dm / dt = vesimassan (mukaan lukien plankton) ainevaraston muutosnopeus D = denitrifikaatio

F = typen sidonta

Denitrifikaatio tai typen sidonta saadaan siis seuraavasta yhtälöstä:

(D - F) = I - 0 - dm/dt - S (12)

Etumerkistä riippuen lasketaan estimaatti joko denitrifikaatiolle (positiivi- nen) tai typen sidonnalle (negatiivinen arvo).

Suomen ympäristö 509 ...

Q

3 Ravinnekuormitus vesistöalueittain ja kuormituslähteet

3.1 ^Typpi

Typpikuormitus laskettiin N_EXRET-mallilla aluksi koko Oulujoen vesistöalueel- le (kuva 4). Kuormituksen alueellinen vaihtelu on merkittävää. Typpikuormitus on alueen koillis-itäosien metsätalous / luonnonhuuhtouma -valtaisilla alueilla 100- 200 kg N km 2a 1 ja lisääntyy maatalousvaltaisilla alueilla Oulujokilaaksossa tasol- le 500-600 kg N km 2a-1. Koko vesistöalueen typpikuormaksi saatiin 5 430 tonnia vuodessa, josta vähän yli puolet päätyy mereen asti (Lepistö et al. 2001). Alueellis- ta jakaumaa tarkasteltaessa tulivat maa- ja metsätalouden erot näkyviin. Maata- louden osuus typpikuormituksesta oli Oulujoki-varressa suurimmillaan 50-70 %.

Metsätalouden osuus puolestaan kasvoi vesistöalueen latvoilla 40-50 %:iin typpi- kuormituksesta (kuva 5).

Typpikuormitus (kg km-2a-')

—] 100-150 U 150-200 [_=:1 200-250 250-300 rii:- 300-350 350.400 400.450 450-500 500-600

59.2'

59.'I

il

59:5.

-1-1 ~ • 1 . ~ 59.4 ,-- X9:7.

Vi

^{, .l i •..}

Kartta-aineistot: (c) Maanmittauslaitoksen lupa nro 7/MYY/01

Kuva 4.Typen

hajakuormitus (kg km 2a' )

maaperästä veteen Oulujoen vesistöalueella.

0

. . . Suomen ympäristö 509

Maatalouden osuus (%) 0-10%

= 10-20% ~- '

20-30% _' , -rr._

'':s~..:

30-40% f.. .

40-50% ~:_

50.60% ~'y. y .;

M 60-70% ' : 3

59.2 y r: _- +. - .r-" i.~+•.. 1-...

• °,. :~ . ~ .. ~ 59.6.::;,:~

.. '•; = -• 59.4

\%__•_%$;

^{~~-- ; ,: L ~. X9:7:} ~•~..~~ .

'4

' 59E

.59:8 '' v,':; - : ;'~.:... ` 1

Kartta-aineistot: (c) Maanmittauslaitoksen lupa nro 7/MYY/01

Metsätalouden osuus (%

=0-10%

0 10-20% ' ' # _.

20

^-

30% `. r

® 30-40% {~*-=r': t•.

M 40-50%

5.

s:\

:j

_96~•~..~

59.4,E-' 9:7.

$j am

.. :59:8' . ";.

Kartta-aineistot: (c) Maanmittauslaitoksen lupa nro 7/MYY/01

Kuva 5. Maa- ja metsätalou- den osuus typen hajakuormi- tuksesta Oulujoen vesistöalu- eella.

Kainuussa (vesistöalueen osa-alueet 59.3-59.9) maatalouden, metsätalouden ja las- keuman osuudet typpikuormituksesta olivat samaa luokkaa, 15-16 % (kuva 6).

Maatalouden osuus on keskimäärin 15 % kolconaiskuormituksesta vaihteluvälin ollessa 8-23 %. Metsätalouden osuus oli vastaava,16 %, mutta vaihtelu vesistöalu- een eri osien välillä oli vähäisempää (11-19 %). Ilmaperäisen laskeuman osuus oli 16 %, pistekuormituksen 6 % ja luonnonhuuhtouman 45 % (ks. myös liite 6).

Suomen ympäristö 509 . . . 0

L 1 Metsätalous Li Maatalous

❑ Luonnonhuuhtouma

❑ Laskeuma

❑ Haja-asutus i 1 Pistekuormitus

■ Turvetuotanto

Kartta-aineistoa: (c) Maanmittauslaitoksen lupa nro 7/MYY/01 Kuva 6. Kokonaistyppikuormituksen jakautuminen lähteisiin vesistöalueittain.

3.2 Fos Pori

Fosforikuormituksen alueellinen vaihtelu Oulujoen vesistöalueella on merkittä- vää. Kuormitus on alueen itäosien metsätalous/luonnonhuuhtouma -valtaisilla alueilla 5-10 kg P km-2a-' ja kasvaa tasolle 50-60 kg P km 2a-' maatalousvaltaisilla alueilla Oulujokilaaksossa (kuva 7). Myös Oulujärven itäpuolella fosforikuormi- tus on melko suurta, 15-25 kg P km-2a-1. Koko vesistöalueen fosforikuormaksi ar- vioitiin 368 tonnia vuodessa, josta noin 60 % pidättyy alueen järviin ja loput, 150 tonnia, päätyy mereen.

Kainuussa (osa-alueet 59.3-59.9) maatalouden osuus fosforikuormituksesta on jonkin verran suurempi kuin metsätalouden (kuva 8). Maatalouden osuus oli keskimäärin 33 % kokonaiskuormituksesta, vaihteluvälin ollessa 17-49 %. Metsä- talouden osuus oli keskimäärin 20 %, vaihtelun eri osien välillä ollessa huomatta- vaa (8-35 %). Ilmaperäisen laskeuman osuus oli 7 %, pistekuormituksen 4 % ja luonnonhuuhtouman 33 %.

0

... Suomen ympäristö 509

Fosforikuormitus (kg km-2a-1)

[1 5-10

Eli ^10-15

r- 1 15-20 P_:i 20-25 U 25-30 30-35

LiIi ^35-40

40-50 50-60

rr3

• zj.

Kartta-aineistoa: (c) Maanmittauslaitoksen lupa nro 7/MYY /01

Kuva 7. Fosforin hajakuormitus (kg km'&) maaperästä veteen Oulujoen vesistöalueella.

I I Metsätalous . . - i

C.1 Maatalous

❑ Luonnonhuuhtouma ..

I I Laskeuma

Li

Haja-asutus

Pistekuormitus 4

5~ g } tu Turvetuotanto

,59.4' . 9 I

1,

59.E

1 .

it

Kartta-aineistot: (c) Maanmittauslaitoksen lupa nro 7/MYY/01

Kuva 8. Kokonaisfosforikuormituksen jakautuminen lähteisiin vesistöalueittain.

Suomen ympäristö 509 . . . 0

u1 hhh1

lair' 111111114

Tff

Typen massatasapainoyhtälöt laskettiin suurille vesistöalueen osa- alueille, minkä jälkeen arvioitiin ravinteiden pidättymiskertoimet järviin ja suoalueille. Kun mal- l i oli kalibroitu Oulujoen vesistöalueen isoille osa- alueille, typpiainevirtaamia tes- tattiin riippumattomasti - täsmälleen samoilla ominaiskuormitus- ja pidättymis- kertoimilla - Kiiminkijoen, Iijoen ja Simojoen vesistöalueilla (kuva 9) (Lepistö et al. 2001). Mallin testaus typen suhteen onnistui hyvin ja sitä testataan jatkossa lisää erityyppisissä maankäyttö- ja ilmasto - oloissa.

Kuva 9. Mitattu ja mallinnet- tu (N_EXRET) typpivirtaa- ma (t N a-') Oulujoen vesis- töalueen osa-alueilla sekä Kii- minki-, Ii- ja Simojoen vesistö- alueella.

3500 3000 2500

m E

2000 1500

w

m

¹⁰⁰⁰

500

0

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Mitattu typpivirtaama (t

a' )

Fosforin massatasapainoyhtälöt laskettiin suurille vesistöalueen osa- alueille vas- taavasti kuin typpimallinnuksessa, minkä jälkeen estimoitiin pienimmän neliö- summan menetelmällä ravinteiden pidättymiskerroin järviin

_{(fret 1;}

0,75 kg ha' a-1 ). Kertoimen avulla arvioitiin fosforin keskimääräistä sedimentaatiota järvial- taisiin, ja sitä käytettiin mallinnettaessa pidättymistä tutkittavien järvien valuma - alueilla sijaitseviin järviin (luku 4.2.1).

Vuotuinen fosforikuormitus mereen (t a-') laskettiin kaavalla 6, käyttämällä laskennassa vesistöalueen aluevaluntaa (luku 2.1.2.5). Kuvassa 10 nähdään kun- kin vuoden mitattu ja mallinnettu fosforikuormitus jaksolla 1990-1999. Ylemmäs- sä kuvassa käytettiin samaa pidättymiskerrointa, 0,75 kg ha'a 1, kuin järvien fos- forikuormituksen laskemisessa. Alemmassa kuvassa annettaessa kertoimen arvoksi 0,85 kg ha'a 1 havaittiin parempi yhteensopivuus mitattujenvuosikuormien suh- teen. Tämä johtuu todennäköisesti ison Oulujärven altaan huomattavasta merki- tyksestä ravinteiden pidättymisessä.

Kuormitus vaihtelee vuosittain, koska vesimäärien vaihtelu sateisten ja kui- vien vuosien välillä on merkittävää. Toinen syy on se, että fosforipitoisuudet kor- reloivat useimmiten positiivisesti - ja epälineaarisesti - huuhtoviin vesimääriin.

Jaksolla 1990-1999 vuotuinen fosforikuormitus vaihteli välillä 125-190 t a 1

.

0

... Suomen ympäristö 509

250 - Fosforikuormitus mereen (t a "1 )

M Mitattu kuormitus

200 0 Mallinnettu kuormitus; retentio 0,15

150

100 ~O

:

11

1

0 - -

1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1991 1998 1999

250 Fosforikuormitus mereen (t a -1 )

D Mitattu kuormitus

200 0 Mallinnettu kuormitus; retentio 0,85

WH LU

I50

100

ri ^-i

50

E

il

0 - _ _ — --

1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1991 1998 1999

3.4 Kuormituksen muutokset ja mallitulosten arviointi

3.4.1 Metsätalous

Metsätaloustoimenpiteiden potentiaalinen ravinnekuormitus on arvioitu myös aikaisemmin Oulujärven vesistöalueelle (59.3-59.9) (Kenttämies & Vilhunen 1999).

Tutkimuksen perusaineistona käytettiin Metsätilastollisen vuosikirjan ja Metsäti- lastotiedotteen tietoja 1968-1996 (Sevola 1998, Västilä et al. 1997), sekä eri tutki- muksista saatuja metsätalouden toimenpiteiden ominaishuuhtoutuma-arvoja. Met- sälautakunnittain (metsäkeskuksittain) ilmoitetut metsätilastotiedot muunnettiin koskemaan kuutta päävesistöaluetta. Kuormituslaskelmat tehtiin erikseen ojituk- sen, kunnostusojituksen, raskaasti muokattujen (auraus, mätästys) uudistushak- kuiden, kevyemmin muokattujen (äestys, laikutus) uudistushakkuiden, kivennäis- maiden typpilannoituksen ja turvemaiden fosforilannoituksen fosfori- ja typpi- huuhtoumista.

Kuva 10. Mitattu ja mallin- nettu fosforikuormitus (t a-') mereen Oulujoen ve- sistöalueella jaksolla 1990- 1999. Mallinnuksessa on käytetty kohta eri pidätty- miskerrointa (0, 75 ja 0,85 kg ha-'a ').

Suomen ympäristö 509 . . . Q

Edellä kuvatulla

laskentamenetelmällä

saatu metsätaloudesta

lähtevä

typpi

- kuormitus

oli suurimmillaan

1970-

luvulla noin

750 tonnia

vuodessa. Tämän jäl- keen kuormitus

on

tasaisesti laskenut siten, että

1990

-luvun

alkuvuosina

typpi- kuormitus oli noin

500 tonnia

vuodessa. Arvio

on 25%

pienempi kuin

N_EXRET- mallilla

saatu

Oulujärven typpikuormitustaso, 670 t a1,

joka edustaa myös

1990- luvun

alkuvuosien tilannetta. Kahdella

erityyppisellä

menetelmällä

- toimenpi- dealat

joko

maankäyttötulkinnasta tai metsätilastoista - saaduissa

tuloksissa ei siis ollut merkittäviä eroja.

Yksittäisten toimenpiteiden aiheuttamista

typen huuhtoumista uudisojitus

oli hallitseva

typen

lähde

1970-

luvulla

ja kunnostusojitus

nousi suurimmaksi

1990- luvulla.

Lyhyen

1980

-luvun loppupuolen jakson aikana raskaasti

muokatut uu- distushakkuut

olivat suurin

typpikuormittaja.

Metsätaloudesta lähtevä

fosforikuormitus

oli

maksimissaan 1980

-luvun puo- livälissä

119 tal (v. 1986),

mutta

on sen

jälkeen vähentynyt siten, että vuonna

1993 se

oli enää

54 tonnia.

Suurista,

järvirikkaista vesistöalueista

metsätalous

kuormitti Oulujärven

valuma

-

aluetta vuonna

1986 2-3

kertaa enemmän kuin muita alueita.

Nopea

vähenemä

johtuu ennen kaikkea

turvemaiden fosforilannoitusten vähen- tymisestä 1980

-luvun loppupuolella, koska vuoden

1986 kuormitustasosta 54 %

oli peräisin

turvemaiden fosforilannoituksesta.

Myös

niukkaliukoisempaan fos- forilannoitteeseen

siirtyminen pienentää laskennallisia

fosforihuuhtoumia 1990- luvulla,

vaikka käytännön tulokset uuden

lannoitekoostumuksen niukkaliukoi- suudesta

eivät ole

kovin

vakuuttavia (Nieminen

& Jarva 1999).

N_EXRET-mallin

mukainen

fosforikuormitus

oli

1990 -

luvun alkuvuosina

n. 56 tonnia

vuodessa, joten eri menetelmillä

lasketut fosforihuuhtoumat

vastasi- vat tällöin hyvin toisiaan. Samoin tässä tutkimuksessa laskettu arvio metsätalou- den

fosforikuormituksesta (20%,

joka vastaa

30% antropogeenisesta kuormituk- sesta) on

lähes saman suuruinen kuin Kainuun ympäristön laatu

-

raportissa tehty arvio,

33 % (Schroderus-Härkönen &

Markkanen

1999).

Fosforin kuormittajista

tärkein yksittäinen toimenpide oli

1970- ja 1980-lu- vuilla turvemaiden fosforilannoitus. Lannoituksien

lähes loppuessa

1990-

luvulle tultaessa ovat

ensin

raskaasti

muokatut uudistushakkuut ja

sitten, vuodesta

1997

alkaen,

kunnostusojitukset

siirtyneet

suurimmiksi fosforikuormittajiksi.

Tässä tutkimuksessa maatalouden kuormitusta

on

arvioitu jonkin verran eri pe- rustein kuin aikaisemmin. Kainuun maatalouden

karjatalousvaltaisuus on

otettu huomioon

ominaiskuormituskerrointa määritettäessä.

Tällöin lietelannan

syysle- vitys ja

karjatalouden suorat päästöt nostavat kuormitusta. Maatalouden

fosfori- kuormitus (33 % kokonaiskuormituksesta

eli

49 % ihmistoiminnan

aiheuttamasta

kuormituksesta)

onkin arvioitu aiempaa suuremmaksi. Kainuun ympäristön

laa- tu -

raportissa maatalouden osuudeksi

(Schroderus-Härkönen &

Markkanen

1999) on

arvioitu

31% ihmistoiminnan kuormituksesta.

Maatalous yhdistettynä metsätalouteen

on

ollut Kainuun

pääelinkeinoja 1970- luvulle

asti. Kainuussa oli vielä

1960

-luvun lopulla yli

10 000

maatilaa

ja

peltoalaa lähes

60 000 ha. 1990

-luvun lopulla tiloja oli enää kuudesosa eli noin

1 600. Pelto- ala

oli vähentynyt

alle

puoleen eli noin

28 000 ha:iin.

Myös karjan määrä oli sama- na aikana vähentynyt reilusti

alle

puoleen.

Maatilojen väheneminen jatkuu edelleen. Vuosina

1998-2000

Kainuusta vä- hentyi

225 perusmaatilaa

eli

18 %,

mutta vastaavasti

monitoimitiloja

tuli lisää

60

eli

20 %. Monitoimitila

harjoittaa maatalouden ohella myös muita

toimialoja.

Vuon- na

2001

Kainuussa oli

1502

maatilaa, joista perinteistä maataloutta harjoitti

984

tilaa eli

65 %.

0

... Suomen ympäristö 509

Maatalouden kuormitus on vähentynyt peltopinta-alan ja karjan vähenemi- sen myötä, mutta maatalouden vesiensuojelun edistämiseksi on 1990-luvulla teh- ty myös paljon työtä. EU:n ympäristötukijärjestelmä, johon Kainuussa on laajalti (yli 90 % tiloista) sitouduttu, vaatii tiloilta huomattavasti vesiensuojelutoimenpi- teitä. Lisäksi Kainuussa toteutettiin vuosina 1995-2000 Aito-ympäristö -hanke, jonka yhtenä tavoitteena oli maidontuotannon ympäristökuormituksen minimointi.

Hankkeessa olivat mukana kattavasti kainuulaiset maidontuottajatilat. Maidon- tuottajia opastettiin tilakäyntien yhteydessä mm. karjanlannan hyväksikäytössä, jätteiden käsittelyssä sekä kasvien tarpeenmukaisessa lannoituksessa. Hankkee- seen liittyi myös projektitiloille suunnattu koulutus, jonka tavoitteena oli yleisen ympäristötietouden lisääminen, maatalouden aiheuttamien ympäristövaikutus- ten tunteminen ja tilakohtaisten ympäristöongelmien ratkaisumallien löytäminen.

Tarvittaessa tiloille laadittiin myös ympäristönhoito-ohjelmat.

Maatalouden kuormitus ei kuitenkaan vähene yhtä nopeasti kuin peltopin- ta-ala. Peltomaan helposti huuhtoutuvien kasvinravinteiden määrä on kertaluok- kaa suurempi kuin luonnontilaisessa metsämaassa. Ruohokasvit eivät kykene te- hokkaasti sitomaan kasvinravinteita, kun lannoitus ja viljely lopetetaan esimer- kiksi kesannoinnin yhteydessä. Tällöin kasvinravinnehuuhtoumat voivat kesan- nolta jopa kasvaa ainakin aluksi. Aktiiviviljelyn ulkopuolelle jätetty peltomaa kuor- mittaa vielä pitkään vesistöjä metsämaata enemmän. Tätä edesauttavat avoimen pellon hydrologiset olosuhteet, kuten nopea lumen sulaminen ja metsämaata suu- rempi valunta. Pellon metsittämisen vaikutuksia huuhtoumiin ei ole tutkittu, mutta viljelyvaiheen vaikutuksen voidaan olettaa häviävän vasta kun havupuumetsä on sulkeutunut taimikkovaiheen jälkeen.

'I.

Pistekuormitus on Kainuun alueella vähentynyt huomattavasti 1980-1990-luvuil- la teollisuuden ja taajamien jätevesien puhdistustekniikan kehityksen myötä. Pää- osa taajamien jätevesistä johdettiin Kainuussa vielä 1970-luvun alussa käsittele- mättöminä vesistöihin (Kiviniemi & Pesonen 2000). Teollisuudessa suurimmat muutokset olivat selluloosan valmistuksen loppuminen 1980-luvun alussa ja sen jälkeen jätevesien biologisen puhdistuksen toteuttaminen. 1990-luvulla Kainuun pistekuormituksesta kalankasvatuksen osuus on ollut suurin (Schroderus-Härkö- nen & Markkanen 1999). Kalankasvatus on pysynyt suunnilleen samansuuruise- na 1980-1990 luvuilla. Vuonna 2000 Kainuussa toimi 33 tarkkailuvelvollista kalan- kasvatuslaitosta. Kalankasvatuksen jätevesien puhdistamisessa tulokset ovat yleen- sä heikot. Vesistökuormitusta pyritään vähentämään pääasiassa rehun laatua ja ruokintatekniikkaa kehittämällä.

Suomen ympäristö 509 . . .

Järvien ravinnekuormitus ja

B • B

rehevyyden

0 0 0 0 ® ® ® 00 00 0 a ® ® ® 0 a 0 ® ® ® ® ® ® ® 0 00 0 0 0 0 ® ® ® ® ® ® ® ® ® ® ® ® ® ® ® ® ® 0

Tutkimuskohteiksi valittiin 44 vesiensuojelun kannalta tärkeää - suurta ja pientä - järveä, joista oli käytettävissä riittävät hydrologiset ja vesikemialliset taustatiedot.

Kohdejärvien joukossa on järviä, joiden rannoilla on runsaasti asutusta ja/ tai jot- ka ovat tai ovat olleet voimakkaasti kuormitettuja ja joissa on rehevöitymisestä johtuvia haittoja. Otos painottuu järviin, joissa on vedenlaatuongelmia. Myös ve- denlaatuaineisto painottuu joidenkin järvien osalta veden laadun kannalta kriitti- siin ajankohtiin, jolloin on esim. havaittu leväkukintoja.

Tutkimukseen kuuluvat järvet (kuva 11) ovat fysiografisilta ja hydrologisilta omi- naisuuksiltaan hyvin erilaisia (taulukko 1). Suomussalmen Kiantajärvi, Rehja- Nuasjärvi, Ontojärvi ja Lentua ovat suuria (tilavuus >500 milj. m3) reittivesistöjä, kun taas esim. Iso-Melanen, Heinonen, Korpijärvi ja Syvä Tervajärvi ovat pieniä valuma-alueen latvajärviä. Myös valuma-alueen koossa on huomattavia eroja. Va- luma-alueen koko on enimmillään Iijärvessä lähes 8 500 km', kun taas Särkisen, Pieni Kuivajärven, Heinosen ja Syvä Tervajärven valuma-alueen koko on alle 5 km'.

Myös järvien viipymät vaihtelevat huomattavasti. Lyhytviipymäisiä järviä, joissa viipymä on alle 1 kk ovat Mainuanjärvi, Iijärvi, Salmijärvi, Hossanjärvi, Tor- muanjärvi, Pirttijärvi sekä Vimpelinlampi. Puokiojärvessä veden vaihtuminen kes- tää yli 2,5 vuotta ja Vaalan Manamansalossa sijaitseva Särkinen on harjujen kes- kellä sijaitseva suppalampi, jonka teoreettinen viipymä on yli 4 vuotta. Voimata- louden käyttöön säännösteltyjä järviä ovat Sokajärvi sekä Hyrynsalmen reitillä olevat Iijärvi, Suomussalmen Kiantajärvi ja Vuokkijärvi. Sotkamon reitin säännös- telyjärviä ovat Rehja-Nuasjärvi, Pirttijärvi, Iso-Sapsojärvi, Kiantajärvi, Sotkamo- järvi, Iso-Kiimanen ja Ontojärvi.

0

. . . Suomen ympäristö 509

::::?:

^I-

i •

.. :

•:

T )CKantaj rvi Plen PesIÖjrvi _esiÖjärvi

. /

( ) t I ^{, \'} rI

~

, VuokM Jumallsjärvl

Ko^rpil^äNi ^{• '•-} KuvajäM SalmIJrvI _Pieni kuivajrvi

Kivesjrvi S^ärkinen ^.

SaaresjrvI

KeIIvi ^-

. -.-

! PIrttiJrvi c• ^{' .. •}

SokajrvI\) I \ t- - ^. Lentua

VInpeIInlamp RehJa;NuasJärvi\ ^'

KrankajM 1,-. _\l ⁾ SI4rnps I w^{i( )}

_2 6jamojaDi ^;:

MalnuanJrvi ^{, '} • ' Haatajanjärvi

S^ärkⁱj^ärvi Jorhlasjä^rvM

/

^r _{j '} ^Kelnonen _-V- ^Syvä

ärvⁱ

.---- I Iso-Kilmanen ontoJrvI

SapsoJM SaunajM

(c) Maanmitlauslaltoksen lupa nro ^7/MYY/01

Kuva I I.Tutkimukseen kuuluvat järvet ja niiden sijainti.

_j

J

^{, \ '} Puokiojarvi Paatinäry

OternjM

.

^Uva

\.•/i\,"

H..Il.L.'\VI Mikitänjärvi

NlmIsJM IIjrv4...-;i Iso-Melanen

P/\I I A!I ^I

Anättijärvi Lentiira J•

Suomen ympäristö 509 ...

0