HESPO Vesistömalli: Ympäristöriskien Ja Rehevöitymiskehityksen Arviointi Helsinki-Espoo-Tallinna Merialueella

Suomen ympäristö 559

YMPÄRISTÖN- SUOJELU

Päivi Korpinen, Jorma Koponen, Mikko Kiirikki, Juha Sarkkula, Hannu Peltoniemi, Paula Väänänen ja Maria Gästgifvars HESPO vesistömalli: Ympäristöriskien ja rehevöitymiskehityksen arviointi Helsinki-Espoo-Tallinna merialueella

S U O M E N Y M P Ä R I S T Ö K E S K U S

Suomen ympäristö 559

HELSINKI 2002 ...... SUOMEN YMPÄRISTÖKESKUS Julkaisu on saatavana myös Internetistä http://www.ymparisto.fi/palvelut/julkaisu/elektro/sy559/sy559.htm

Rantaviiva-aineisto: MKH lupa n:o 10/721/98

ISBN 952-11-1148-8 (nid.) ISBN 952-11-1149-6 (pdf) ISSN 1238-7312

Kannen kuva: Valokuva: Mikko Kiirikki Mallikuvan muokkaus: Paula Väänänen

Taitto: Ritva Koskinen

Dark Oy

Vantaa 2002 ○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○ 2 ○○○○○○○○○○○ Suomen ympäristö 559 SisällysSisällysSisällys

Tiivistelmä ...... 5 Summary ...... 6

1 Johdanto ...... 7

1.1 Hankkeen tavoite ja yhteistyötahot ...... 7 1.2 Suomenlahden onnettomuustilanteet ja operatiiviset sovellukset ...... 8 1.3 Suomenlahden rehevöitymiskehitys ja vesiensuojelun tuki ...... 8

2 Aineisto ja menetelmät...... 10

2.1 Virtausmalli ...... 10 2.1.1. Rakenne ...... 10 2.1.2 Mallihila ja laskentaparametrit ...... 11 2.1.3 Mallin testaus ja tärkeimmät rajoitukset ...... 11 2.2 Operatiivinen HESPO-malli ...... 12 2.2.1 Operatiivisen mallin rakenne sekä kulkeutumisen ja leviämisen laskenta ... 12 2.2.2 Mallien käyttö operatiivisessa toiminnassa ...... 13 2.3 HESPO-ekosysteemimalli ...... 14 2.4 Mittausaineisto ...... 15 2.4.1 Virtausmittaukset ...... 15 2.4.2 Kuormitus ...... 18 2.4.3 Vedenlaatutiedot ...... 20 2.4.4 Rihmalevät ...... 20 2.5 Skenaariotarkastelu ...... 21 2.5.1 Vesiensuojeluskenaarioiden kuvaukset ...... 21 2.5.2 Vesiensuojeluskenaarioiden vaikutusten laskenta ...... 22

3 Tulokset ja johtopäätökset ...... 23

3.1 Virtausmalli ...... 23 3.2 Operatiiviset sovellukset ...... 25 3.2.1 Kuvitteelliset tilanteet: Helsingin edustan öljyn kulkeutuminen ja kappaleiden ajelehtiminen Tallinnan matalalta ...... 26 3.2.2 Todelliset tilanteet: Kevään 2001 meripelastusharjoitus ja Lapinlahden hukkuneen etsintä ...... 28 3.2.3 Operatiivinen toiminta ja mallikehitys jatkossa ...... 28 3.3 Vedenlaatu ja rihmaleväbiomassa ...... 29 3.4 Vesiensuojeluskenaarioiden vaikutukset ...... 32 3.4.1 Pääkaupunkiseudun yhdyskuntajätevesien tehokkaampi käsittely ...... 32 3.4.2 Kuormituksen vähentyminen Vantaanjoen valuma-alueella ...... 33 3.4.3 Muutokset typpeä sitovien sinilevien määrässä ...... 33

3.4.4 Ekosysteemimallin jatkokäyttö ...... 34 ○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○ Suomen ympäristö 559 ○○○○○○○○○○○○○○○○ 3 Kirjallisuus ...... 35 Liitteet ...... 37

LIITE 1. Vesistön virtauksia, aineen kulkeutumista ja sekoittumista kuvaavat muuttujat, yhtälöt ja kertoimet...... 37

LIITE 2. Ekosysteemimallin muuttujat, vakiot sekä malliyhtälöt, nopeudet ja rajoittavat tekijät ...... 39

Kuvailulehdet ...... 44 ○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○ 4 ○○○○○○○○○○○ Suomen ympäristö 559 Tiivistelmä

Suomenlahden tila on ollut kasvavan huo- mittauspisteellä. Useimmissa tapauksis- len aiheena viimeisen vuosikymmenen sa malli pystyi kuvaamaan tyypilliset vir- ajan. Vaikka rantavaltioista tuleva ravin- taustilanteet jopa topografialtaan rikko- nekuormitus on vähentynyt, myrkylliset naisella saaristoalueella. Ekosysteemi- sinileväkukinnat ovat edelleen yleisiä avo- malli kuvasi mallialueen tärkeimmät ra- merellä ja rihmalevien massaesiintymät vinnegradientit ja kiintoaineen leviämi- haittaavat monin paikoin ranta-alueiden sen Vantaajoen edustalla. Tämän lisäksi virkistyskäyttöä. Rehevöitymisen lisäksi kasviplanktonin biomassan ja rihmalevi- öljy- ja kemikaalionnettomuuksien riskin en massaesiintymien kuvaus onnistui on ennustettu kasvavan merkittävästi uu- kohtalaisella tarkkuudella. sien satamien avautuessa Venäjällä. Tässä Operatiivista mallia käytettiin sekä raportoitavan työn keskeinen motiivi on kuvitteellisten onnettomuustilanteiden ollut luoda apuvälineitä Suomen ja Viron simuloinnissa että todellisessa kadonneen yhteistyölle onnettomuuksiin varautumi- henkilön etsinnässä. Ekosysteemimallilla sessa, niiden torjunnassa sekä rehevöity- tarkasteltiin kahden vesiensuojeluskenaa- miskehityksen arvioinnissa Helsingin, Es- rion vaikutuksia kasviplanktonin ja ran- poon ja Tallinnan merialueella. tavyöhykkeen rihmalevien määrään. Ske- HESPO-vesistömalli perustuu kol- naariot olivat “yhdyskuntajätevesiskenaa- miulotteiseen virtausmalliin, joka portait- rio”, joka kuvaa 47% vähennystä Helsin- taisesti tarkentuu Helsingin ja Espoon gin ja 10% vähennystä Espoon yhdyskun- edustalle. Erotuskyky Suomenlahdella on tajätevesien ravinnekuormassa, sekä 5000m, Helsingin ja Tallinnan välisellä “maatalousskenaario”, joka kuvaa 20% merialueella 1000m ja Helsingin edustalla vähennystä Vantaanjoen ravinnekuor- 250m. Portaittaisesti tarkentuva malli mah- massa. Yhdyskuntajätevesiskenaario vä- dollistaa suuren erotuskyvyn hyödyntämi- hensi sekä kasviplanktonin että rihmale- sen ensisijaisella kohdealueella ilman, että vien biomassaa 5-15% ulkosaaristossa pur- koko merialueen kuvaamisesta jouduttai- kuputkien läheisyydessä. Muutokset sisä- siin luopumaan rajallisen laskentakapasi- saaristossa ja ranta-alueilla jäivät vähäisik- teetin takia. Operatiivinen HESPO-malli si. Maatalousskenaarion vaikutukset jäivät ja HESPO-ekosysteemimalli käyttävät suurelta osin 2% havaintorajan alapuolel- kummatkin hyväkseen kolmiulotteisen le. Todennäköisin syy vaikutusten vähäi- virtausmallin laskemia virtauksia. Opera- syyteen on Vantaanjoen suuri kiintoaine- tiivisella HESPO-mallilla pystytään ku- kuorma, joka pitää levien kasvun laajalla vaamaan öljy- ja kemikaalivuotojen kul- merialueella valorajoitteisena. Jos levät keutumista sekä kelluvien kappaleiden eivät pysty käyttämään ravinteita tehok- ajelehtimista virtauksen mukana. HESPO- kaasti estuaarissa, ravinnekuormitus kul- ekosysteemimalli laskee biologisesti käyt- keutuu laajalle merialueelle ja kuormitus- tökelpoisten ravinteiden kulkeutumista, vähennysten vaikutukset jäävät käytetyn kolmen leväryhmän kasvua, typen sidon- 2 % havaintorajan alapuolelle. Kiintoai- taa sekä kuolleen leväbiomassan vajoamis- nekuorman ja valorajoituksen vähentyes- ta, sedimentoitumista ja biomassaan sitou- sä lahtialueella levien kasvu saattaa lyhy- tuneiden ravinteiden vapautumista. ellä aikavälillä jopa lisääntyä. Virtausmallin toimintaa testattiin vertaamalla mallilla laskettuja tuloksia

virtausmittauksiin Helsingin edustan 39 ○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○ Suomen ympäristö 559 ○○○○○○○○○○○○○○○○ 5 Summary

The environmental state of the Gulf of nutrient gradients and transport of sus- Finland has been a matter of great con- pended solids in front of the estuary. Also cern during the last decade. Even though the timing and biomass of the phytop- the nutrient load has been diminishing lankton biomass as well as mass occurren- in the 1990s, toxic cyanobacteria blooms ces of brown filamentous alga Pilayella lit- are still common in the open sea and fila- toralis were reproduced with a reasonab- mentous algal mats are a problem for the le accuracy. users of the coastal zone. In addition to The practical applications of HESPO eutrophication, the risk for oil and che- operational model were demonstrated mical accidents has been predicted to in- with both fictional accident cases as well crease due to opening of new harbours as in a real SAR case. Analysing ecologi- in Russia. The main motivations for the cal effects of two nutrient load reduction present work have been to develop tools scenarios on the phytoplankton and lit- for Finnish-Estonian co-operation in pre- toral filamentous algal biomasses de- paration and combating against accidents monstrated the use of HESPO-ecosystem and eutrophication. model. The two analysed scenarios were HESPO-model system is based on “wastewater scenario” describing about 3D-flow model, which utilises a nested 47% nutrient load reduction in the mu- calculations grid with variable horizon- nicipal wastewaters of Helsinki area and tal resolution. The whole Gulf of Finland “agriculture scenario” describing 20% is presented in the nested model with decrease in the nutrient load from the resolution of 5000 m. Resolution increa- drainage area of river Vantaanjoki. The ses in two steps towards the main model wastewater scenario decreased both area being 1000 m between Helsinki and phytoplankton and filamentous algal bio- Tallinn and 250 m in front of Helsinki and mass by 5–15 % in the vicinity of the out- Espoo. HESPO-operational model and let located in the outer archipelago of HESPO-ecosystem model both utilise the Helsinki. Changes in the inner archipe- calculated 3D-flows. HESPO-operational lago and close to the shoreline were hard- model is able to predict transport of oil ly detectable. The effects of the agricul- and chemical leakage as well as drifting ture scenario on the algal biomasses of any floating objects. HESPO-ecosys- stayed mainly below the arbitrarily se- tem model calculates transport of biolo- lected detection limit of 2%. The reason gically available nutrients, growth of for low impact is probably the effective three groups of algae, nitrogen fixation, transport of the riverine nutrients out of settling and sedimentation of algal bio- the estuary. The water of river Vantaan- mass as well as regeneration of nutrients. joki has a very high concentration of sus- The performance of HESPO- flow pended solids making the growth of both model was tested by comparing the cal- phytoplankton and filamentous algae culation results with measured flows in clearly light limited and decreasing the 39 sites within the high-resolution mo- nutrient uptake in front of the river del area. In most cases the model was able mouth. When the nutrients are tran- to reproduce the flow pattern relatively sported and diluted into a large area also well even in the topographically comp- the effects of load reductions fade below lex archipelago. The HESPO-ecosystem the detection limit.

model was able to reproduce the main ○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○ 6 ○○○○○○○○○○○ Suomen ympäristö 559

Johdanto ○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○ ○○○○○○○○○○○○○○○○○ 1 1.1 Hankkeen tavoite ja johtokeskuksissa Vaasassa, Turussa ja Helsingissä. Operatiivista mallia voidaan yhteistyötahot hyödyntää mm seuraavissa tilanteissa: – öljylauttojen kulkeutumisennustei- Helsinki-Espoo-Tallinna merialueen re- den laatiminen onnettomuustilan- hevöitymiskehityksen arvioimiseksi, ym- teissa torjuntatoimenpiteiden tueksi päristöriskien hallinnan parantamiseksi – ajelehtivien kappaleiden (haaksirik- ja vesiensuojelun suunnittelun tukemi- koutuneet alukset, veden varaan seksi käynnistettiin vuonna 1999 yhteis- joutuneet ihmiset ja pelastuslautat, työprojekti, jonka tarkoituksena oli ke- puutavaralastit tai muut ajelehtivat hittää käytännöllinen työkalu, HESPO- kappaleet, joista on vaaraa merilii- vesistömalli, Helsingin, Espoon ja Uu- kenteelle) liikeradan laskeminen ja denmaan ympäristökeskusten käyttöön. kulkeutumisreitin ennustamiseen Matemaattinen mallintaminen on ylei- etsintä- ja pelastustoimien kohdis- sesti käytössä oleva menetelmä sekä ilma- taminen kehän että meriympäristön tilan ymmär- – tuntemattoman päästölähteen sel- tämisessä ja ennustamisessa. Mallia voi- vittäminen daan hyödyntää vesiensuojelun suunnit- – ajelehtivien tai uponneiden neste- telun ja päätöksenteon apuvälineenä mm. mäisten kemikaalien ja kemikaali- seuraavissa tutkimus- ja toimenpidepro- lastien vaikutusalueen arviointi sessin vaiheissa: – myrkyllisten levälauttojen kulkeu- – vesistön tilaan vaikuttavien tekijöi- tumisen ennustaminen den erittely – vesiensuojelutoimenpiteiden kus- Yhteistyöhankkeen rahoittajina toi- tannustehokkuuden arviointi mivat Helsingin kaupunki (Helsingin – rakennushankkeiden ympäristövai- Vesi, Helsingin kaupungin ympäristökes- kutusten arviointi kus, Helsingin Satama ja Kaupunkisuun- – vaikutusten havainnollistaminen nitteluvirasto), Espoon kaupunki (Es- karttapohjaisina esityksinä poon Vesi, Espoon aluepelastuslaitos, Es- – puutteellisen havaintoaineiston täy- poon ympäristökeskus, Kaupunkisuun- dentäminen malliarvioilla nittelukeskus ja Tekninen keskus), Uu- – seurantaohjelmien havaintopaikko- denmaan ympäristökeskus ja EU:n alue- jen ja aikojen optimointi kehitysrahasto (EU Interreg IIA). Yhteis- – leväennusteiden laatiminen työtahoina yllä mainittujen lisäksi toimi- vat Uudenmaan Liitto, Helsingin pelas- Toisena päätavoitteena oli laatia tuslaitos, Helsingin ja Vantaanjoen ve- öljy- ja kemikaalionnettomuuksien tor- siensuojeluyhdistys, Sisäministeriön pe- junnan sekä meripelastuksen tueksi ny- lastusosasto ja Rajavartiolaitoksen esi- kyistä tarkempi ajelehtimis- ja kulkeutu- kunta. Hankkeen toteutuksesta vastasivat mismalli. Ennustemalleja on kehitetty Suomen ympäristökeskus ja Suomen 1990-luvulla ja niitä on käytössä öljyntor- Ympäristövaikutusten Arviointikeskus junnan ja meripelastustoiminnan tukena Oy. Viron puolelta yhteistyötahoina ovat Suomen rannikkoalueella Merivartioston olleet Viron Merentutkimuslaitos ja Ym- päristöministeriö sekä sen alainen Meri-

tarkastusvirasto, jonka vastuulle on Vi- ○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○ Suomen ympäristö 559 ○○○○○○○○○○○○○○○○ 7 rossa kuulunut mm. öljyntorjunta. Yh- tarkka topografialtaan monimuotoisella teistyötä Viron operatiivisen tahon kans- saaristoalueella. Operatiivinen HESPO- sa ovat haitanneet viimeisen parin vuo- malli on suunnattu ensisijaisesti paikkaa- den aikana tapahtuneet suuret hallinnol- maan tätä puutetta pääkaupunkiseudun liset muutokset. Meritarkastusvirasto on edustan merialueella. Onnettomuusti- lakkautettu ja öljyntorjuntavastuu on lanteessa on tärkeätä myös paikallisen siirtynyt Viron Rajavartiolaitokselle. Ope- tuuliennusteen jatkuva tarkentaminen, ratiivisiin malleihin liittyvässä kehittä- mihin paikallisen mallin käyttö antaa mistoiminnassa työtä on tarkoitus jatkaa mahdollisuuden. Viron Merentutkimuslaitoksen kanssa. Operatiivisen HESPO-mallin anta- Yhteistyöhön on tullut mukaan myös Vi- mia mahdollisuuksia on tässä työssä ha- ron Merenkulkuakatemia. vainnollistettu laskemalla kuvitteellisen öljyonnettomuuden vaikutuksia sekä kappaleen kulkeutumista kuvitteellisen 1.2 Suomenlahden veneonnettomuuden jälkeen. Mallia on käytetty apuna myös todellisessa onnet- onnettomuustilanteet ja tomuustilanteessa hukkuneen etsintään operatiiviset sovellukset Helsingin Lapinlahdessa. Öljy- ja kemikaalionnettomuuksien riskin odotetaan kasvavan Suomenlahdella 1.3 Suomenlahden voimakkaasti lähitulevaisuudessa Venä- jän suursatamien toteutuessa. Satamien rehevöitymiskehitys ja rakentaminen ja laajentuminen on vilk- vesiensuojelun tuki kaassa kehitysvaiheessa myös Virossa. Samalla meriliikenteen kasvu on ollut Vaikka Suomenlahden ravinnekuormitus huomattavaa erityisesti Helsingin ja Tal- on laskenut 1990-luvun aikana, pintave- linnan välillä, jossa suurella nopeudella den fosforipitoisuuksissa on tapahtunut Suomenlahden poikki kulkevat alukset päinvastaista kehitystä. Tämä johtuu laa- lisäävät onnettomuusriskiä. Liikennesuo- jojen hapettomien pohjien esiintymisestä ritteen voidaan arvioida kasvavan kaksin- Itäisellä Suomenlahdella ja niiden aiheut- kertaiseksi vuoteen 2010-2015 mennessä. tamasta sisäisestä kuormituksesta. Typpi- Öljykuljetusten osalta voi lisäys nykyi- pitoisuudessa tapahtui lievää laskua, jon- seen olla jopa kolminkertainen. ka uskotaan johtuneen kuormituksen vä- Operatiiviset mallit liittyvät koko henemisestä varsinkin Venäjällä ja Viros- Itämeren HIROMB (High Resolution sa (Kauppila & Bäck 2001, Pitkänen ym. Operational Model for the Baltic Sea) 2001). Avomeren ravinnesuhteissa tapah- ennustepalveluun, jota toteutetaan Itä- tuneet muutokset näkyivät kesän 1997 voi- meren maiden yhteistyönä. HIROMB makkaissa sinileväkukinnoissa. Talvella ennuste lasketaan päivittäin Ruotsin Il- 2001-2002 Suomenlahden pintavesistä on matieteenlaitoksella seuraavan 2 vrk ajal- mitattu jälleen korkeita fosforipitoisuuk- le. Ennusteita voidaan käyttää mm. pai- sia ja kesäksi 2002 odotetaan runsaita si- kallisten, suuren erotustarkkuuden mal- nileväkukintoja lähes koko Suomenlah- lien reunaehtojen määrittelyssä. HI- delle. ROMB-mallin kehittäminen perustuu Pääosa rannikkovesistämme on Helsingin Komission (Helcom) suosituk- avoimeen Suomenlahteen verrattuna sel- seen (1991) yhteisen Itämerimallin kehit- västi rehevöityneitä. Kuitenkin aikaisem- tämiseksi sekä onnettomuustilanteiden min huonokuntoisen pääkaupunkiseu- hallinnan ja ennustevalmiuden paranta- dun rannikkoalueen tila on parantunut miseksi. Suositukseen liittyi myös keho- selvästi 1980- ja 1990-luvuilla, kun asu- tus tukea Baltian maita mallivalmiuden tuksen ja teollisuuden päästöjä on vähen- parantamisessa ja Itämeren operatiivi- netty, ja jätevesien purkupaikat on siir- seen yhteistyöhön liittymisessä. HI- retty avomeren laitaan (Pesonen ym.

ROMB-malli ei kuitenkaan ole riittävän 1995). Helsingin seudun puhdistetut yh- ○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○ 8 ○○○○○○○○○○○ Suomen ympäristö 559 dyskuntajätevedet johdetaan Viikinmäen tehokkuuden arviointi on toteutettu koko puhdistamolta tunnelissa Katajaluodon Suomenlahden mittakaavassa Suomen ulkopuolelle noin 30 metrin syvyyteen. ympäristökeskuksen vetämässä Ympäris- Espoon asumajätevedet johdetaan vas- töklusteri-hankkeessa (Kiirikki ym. 2000), taavasti Espoon ulkosaaristoon. Yhdys- jossa verrattiin Vesiensuojelun tavoiteoh- kuntien jätevesikuormituksen lisäksi jelmaa ja Pietarissa toteutettaviksi suun- Helsingin merialueelle laskee Vantaanjo- niteltuja vesiensuojelutoimenpiteitä Suo- ki, joka tuo ravinnekuormitusta erityises- men rannikkoalueiden kannalta Suomen- ti maataloudesta, mutta myös jokivarren lahden ekosysteemimallia apuna käyttä- yhdyskunnista, haja-asutuksesta ja teol- en. lisuudesta. Pääosin liikenteen ja energia- Koko Suomenlahtea kuvaavan mal- tuotannon päästöistä peräisin olevalla il- lin pohjalta voidaan kehittää verkkomai- makehän kautta tulevalla typpikuormi- sesti paikallisia osamalleja, joilla voidaan tuksella on merkittävä rooli varsinkin suuremman erotustarkkuuden vuoksi avomeren kuormittajana. Pääkaupunki- havainnoida tarkemmin eri toimenpitei- seudun rannikkovesien ongelmat ovatkin den vaikutuksia nimenomaan kiinnos- tyypillisiä koko Suomenlahdelle, jossa tuksen kohteena olevaan alueeseen. Täl- kaukokulkeutumisena tuleva kuormitus laisia osamalleja on kehitetty Viikin-Van- sekoittuu paikallisen piste- ja hajakuor- hankaupunginlahden linnustonsuojelu- mituksen vaikutuksiin rannikkovyöhyk- alueelle, Kotkan rannikkoalueelle (Kra- keellä. mer ym. 2000, Kiirikki ym. 2001a) ja Por- Rehevöitymiskehityksen ymmärtä- voon rannikkoalueelle. miseksi ja torjuntastrategian luomiseksi HESPO-ekosysteemimallilla arvioi- on oleellista erottaa eri kuormituslähteis- tiin tässä työssä esimerkinomaisesti pää- tä peräisin olevien kuormitusten vaiku- kaupunkiseudun jätevesien ja Vantaanjo- tukset vesistössä, jotta kuormitusvähen- en ravinnekuormituksessa tapahtuvien nyksiin kohdistettujen toimenpiteiden muutosten vaikutuksia levämääriin Hel- kustannustehokkuutta voidaan arvioida. singin edustan merialueella.

Vesiensuojelutoimenpiteiden kustannus- ○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○ Suomen ympäristö 559 ○○○○○○○○○○○○○○○○ 9

Aineisto ja menetelmät ○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○ 2 ○○○○○○○○○○○○○○○○○ Helsinki-Espoo-Tallinna merialueen han- Näiden fysikaalisten tekijöiden vai- ke toteutettiin laatimalla alueelle veden kutukset ja syy-yhteydet ovat yksityis- virtauksia kuvaava kolmidimensioinen kohtaisesti tunnettuja. Virtausmallilas- hydrodynaaminen malli. Mallin kehitys- kennassa on mukana kaikki nämä meren tä ja testaamista varten koottiin aiemmin tilaan vaikuttavat tärkeimmät tekijät, joi- tehtyjen virtausmittausten tulokset, sekä den pohjalta vesialueen virtaukset ja nii- suoritettiin lisämittauksia kesän ja syk- den vaihtelut saadaan lasketuiksi halutul- syn 2000 aikana. Laskettuja virtauksia la erotustarkkuudella eri tuuli- ja virtaa- käytettiin operatiivisessa ja vesiensuoje- matilanteissa, kun syvyydet, jääpeitteen lua palvelevassa mallinnuksessa. Opera- esiintyminen, jokivirtaamat ja avovesi- tiivisia sovelluksia varten virtausmalliin kauden tuulet tunnetaan (Koponen ym. liitettiin öljyä, kemikaaleja sekä ajelehti- 1992a). via kappaleita kuvaavat moduulit. Vesi- Veden ominaisuudet ja pitoisuudet ensuojelua palvelevan mallinnuksen osaa kulkeutuvat virtausten mukana. Samalla käytetään veden laadun sekä kasviplank- viereisten vesimassojen ominaisuudet tonin ja rantavyöhykkeen rihmalevästön sekoittuvat keskenään vesistön pyörtei- kasvun ja muutosten arvioimiseen. Veden den ja nopeuserojen vaikutuksesta. Kun laadun, ja kasviplanktonin laskenta tes- vesistön virtaukset kullakin hetkellä ovat tattiin vedenlaadun seurantaohjelman selvillä, saadaan myös pitoisuuksien ja havainnoilla. Rihmalevien biomassan veden muiden ominaisuuksien aika- ja muutoksia seurattiin neljällä havainto- paikkavaihtelut lasketuiksi. Liitteessä 1 paikalla. on esitetty vesistön virtauksia matemaat- tisesti kuvaavat yhtälöt sekä aineen kulkeutumista ja sekoittumista kuvaava yh- 2.1 Virtausmalli tälö. Yhtälöiden reunaehtoina ovat tuulen leikkausjännitykset, pohjakitka, mah- dollinen jääkitka sekä alueelle laskevat joet tai muut ulkoa määrätyt virtaukset 2.1.1. Rakenne tai pinnankorkeudet. Vesistöön tuleva pitkä- ja lyhytaal- Luonnossa vesistön virtauksiin vaikutta- toinen säteily voidaan joko antaa mitta- vat ustiedoista tai laskea säätiedoista (ilman – tuulet ja tulovirtaamat lämpötila, suhteellinen kosteus, paine ja – vedenkorkeus-, -tiheys- ja ilmanpai- pilvisyys) ja auringon kulmasta. Vesistös- ne-erot tä poistuva lämpömäärä lasketaan pitkä- – maan pyörimisliike aaltoisena säteilynä (Stefan-Bolzman – veden sisäinen kitka ja liikemäärän laki), haihduntana ja lämmön johtumise- kulkeutuminen na. Lämpövuota kuvaavat yhtälöt (15 kap- – veden häviämättömyys ja kokoon- paletta) on esitetty viitteessä Koponen puristumattomuus ym. 1992a. Tässä työssä käytettyä virtaus- – pohjan ja rantojen muodot mallia on verrattu myös toiseen Suomessa käytössä olevaan malliin (Inkala & Myr-

berg 2001). ○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○ 10 ○○○○○○○○○○○ Suomen ympäristö 559 2.1.2 Mallihila ja tustarkkuutta kasvateta. Helsingin edus- laskentaparametrit tan tiheän alueen syvyydet on esitetty Kuvassa 2. Syvyyssuunnassa mallissa on Mallissa tarkastelualue jaetaan horison- kymmenen kerrosta, joiden kerrosrajat taalitasossa pienempiin osiin, ns. hilakop- ovat syvyyksillä 1, 2, 3, 5, 9, 15, 25, 40, 65 peihin, joiden välisiä eroja seurataan las- ja 100 metriä. Operatiivisissa sovelluk- kennassa. Hilakopin leveys ja pituus sissa, jossa tarkkojen pintavirtausten las- muodostavat laskennan horisontaalisen kenta on tärkeää, on käytetty kerrosjakoa erotustarkkuuden. 0.1, 0.5, 1, 2, 3, 5, 10, 20, 40, 100 metriä. Liit- Eri erotustarkkuudella ratkaistavat teessä 1 on esitetty mallissa käytetyt ker- osamallit voidaan liittää toisiinsa sisäk- toimet, jotka on saatu käyttämällä hyväk- käisesti tarkentuvaksi järjestelmäksi. si aiemmista sovelluksista saatuja koke- Näin mallissa voidaan ottaa huomioon muksia ja sovittamalla lasketut virtauk- laajan merialueen virtausten vaikutus set mittauksiin. tarkasti kuvattuun paikalliseen alueeseen. HESPO-mallissa on tällainen horisontaa- lisesti sisäkkäinen hilarakenne. Hilakop- 2.1.3 Mallin testaus ja pien koko suurenee portaittain varsinai- tärkeimmät rajoitukset selta kohdealueelta poispäin siirryttäes- sä. HESPO-mallissa käytetty hila koostuu Malli testataan virtaus- ja pitoisuusmit- kolmesta sisäkkäisestä hilasta. Karkein 5 tausten perusteella. Mallia tarkennetaan km:n erotustarkkuuden hila käsittää vertailun perusteella korjaamalla mah- koko Suomenlahden, 1 km:n hila Helsin- dolliset epätarkat tai virheelliset syvyys- ki-Tallinna välisen alueen ja 250 m:n hila ja olosuhdetiedot, muuttamalla prosesse- Helsingin edustan merialueen. Mallin ja tai tarkentamalla laskentaparametrejä. hilarakenne on esitetty Kuvassa 1. Esimerkkinä jälkimmäisestä on tuulikit- Syvyyssuunnassa vesitilavuus on kakerroin, jota muuttamalla voidaan vastaavasti jaettu eri paksuisiin kerrok- kompensoida erilaisista tuulen nopeuden siin. Kunkin hilakopin syvyydet on las- mittauspaikoista (avomeri, sisämaa) ai- kettu ja tarkistettu merikorteista sekä di- heutuvat erot. gitaalisista topografiatiedostoista. Hila- Malli- ja mittausvertailussa on huo- ruutujen sisällä voi olla erotustarkkuut- mioitava mallin ja mittauksen periaatteel- ta kapeampia saaria, niemiä ja syväntei- liset erot. Mittaus- ja laskentatulokset ei- tä, joita ei pystytä kuvaamaan, ellei ero- vät aina ole tarkasti yhdenmukaisia kes-

Kuva 1. HESPO-mallin laskenta-alue. Mallin erotustarkkuudet ovat karkeimmasta tarkimpaan

5000, 1000 ja 250 m. ○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○ Suomen ympäristö 559 ○○○○○○○○○○○○○○○○ 11 Kuva 2. Helsingin edustan tarkan hilan syvyydet.

kenään. Mallissa tietyn pisteen virtaus mättä ole aina riittävä kuvaamaan veden kuvaa keskimääräistä virtausta hilakopis- vaihdon kannalta tärkeitä kapeita salmia, sa, jonka suuruus HESPO-mallissa on saaria ja syvännekanavia. pienimmillään 250 x 250 m. Virtausmit- Syynä mallitulosten ja mittausten taus sen sijaan on pistemäinen, jolloin eroihin voi olla myös olosuhdetietojen esimerkiksi paikalliset poikkeavuudet (kuormitukset, tuulet, jokivirtaamat) epä- pohjanmuodossa voivat suuresti vaikut- tarkkuudet, näytteenoton satunnaisuus ja taa mitattuihin virtauksiin. vaikutusten esiintyminen luonnossa eri- Tärkeimpänä hydrodynaamisen laisina laikkuina, ohuina kerroksina tai mallin rajoituksena onkin mallin rajalli- lyhytaikaisina pulsseina. Myös laskenta- nen erotustarkkuus paikan suhteen. Las- kapasiteetin rajoitukset pakottavat usein kenta ei voi kuvata pienen mittakaavan il- yksinkertaistamaan laskentaa, koska luon- miöitä, koska laskentatulokset ovat aina non prosesseja lasketaan yleensä kuukau- vesialueen osien keskiarvoja. Mallin ero- sien tai vuosien jaksoissa. tustarkkuus vaikuttaa myös suoraan kul- keutumiseen, sekoittumiseen ja pitoisuuksien laskentaan. Malliin tuleva kuor- 2.2 Operatiivinen mitus jaetaan aina koko hilaruutuun, jolloin karkea hila ei voi toistaa purkupaikan HESPO-malli lähialueen suuria pitoisuuksia. Ravinne- pitoisuuksiin vaikuttavat tämän lisäksi esim. sedimenttiprosessit ja sisäinen kuor- 2.2.1 Operatiivisen mallin mitus, joita ei ole huomioitu mallitarkas- rakenne sekä kulkeutumisen ja telussa. Helsingin edustan 250 m:n ja Hel- leviämisen laskenta sinki-Tallinna alueen 1 km:n resoluutio riit- tää kuvaamaan pohjan ja rantojen muo- Operatiivisella mallilla lasketaan veden tojen pääpiirteet, mutta sisäsaaristossa ja virtausta ja kerrostuneisuutta sekä kap- lahtialueilla käytetty tarkkuus ei välttä- paleiden, öljyn tai kemikaalien kulkeutumista virtausten mukana ja leviämistä.

Kemikaaleista lasketaan myös erilaisia ○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○ 12 ○○○○○○○○○○○ Suomen ympäristö 559 prosesseja (horisontaalista ja vertikaalis- voima on vedenpinnan korkeuserot, joka ta dispersiota, liukenemista, haihtumis- voi esimerkiksi rannikon lähellä ajaa ve- ta, emulsifikaatiota, hajoamista). Kemi- simassaa tuulta vastaan. Näin käy tyypil- kaalimallin prosessiosio perustuu 90-lu- lisesti rantaa vastaan olleen myrskyn jäl- vulla tehtyyn kemikaalimalliin (Koponen keen, jolloin rannikolle pakkautunut vesi ym. 1992b, Vepsä ym. 1993, Salo 2001). virtaa avomerelle. Talviaikana jäätietojen Malli on suunniteltu pinnalla kelluville, tarkentaminen vaikuttaa oleellisesti las- liukeneville ja vettä raskaammille aineil- kennan tarkkuuteen. Talviaikaisissa on- le. Esimerkiksi aineen haihtuminen on nettomuustilanteissa tarvittavat jäätiedot erilaista riippuen aineen syvyyssuuntai- ja jääennusteet saadaan tällä hetkellä sesta jakautumisesta ja aineen sekoittu- Merentutkimuslaitoksen jääpalvelulta, misesta vesimassaan. joka tuottaa päivittäisiä jääkarttoja. Merkittävin virtauksiin ja kulkeutu- Kulkeutumisen ohella veteen joutu- miseen vaikuttava tekijä on tuuli. Tästä nut aine sekoittuu tai dispergoituu vesi- syystä tuulitiedot on mitattava havainto- massaan. Sekoittuminen johtuu pyörtei- alueelta riittävän usein (10–60 min vä- sestä virtauksesta (turbulenssi) sekä vir- lein), jotta mallitulokset olisivat yhtäpi- tausnopeuseroista. Sekoittuminen kuva- tävät havaintojen kanssa. Paikallisesti taan joko tiheyserojen tai virtausnopeu- vaihtelevat tuulet saattavat vaatia onnet- den funktiona. Tyypillisesti alkujaan pyö- tomuuspaikan lähialueen tuulimallia. reä läikkä venyy kulkeutuessaan, koska Laajalla merialueella voidaan käyttää esi- syvemmälle dispergoitunut aine kulkeu- merkiksi SMHI:n tai Ilmatieteen laitok- tuu hitaammin kuin pinnalla oleva aine. sen HIRLAM (High Resolution Limited Virtausten ohella veteen liukenematto- Area Model) sääennustusmallin tuotta- man aineen tiheysero veteen nähden vai- mia tuulianalyysejä ja tuuliennusteita. kuttaa pystysuuntaiseen kulkeutumi- Myös paikalliset tuuliennusteet saadaan seen. Vettä raskaampi aine vajoaa syvem- HIRLAM-sääennusteista. Tällöin päivys- mälle ja vettä kevyempi pyrkii pinnalle. tävän meteorologin suorittama paikalli- Aineen ja veden tiheyserosta johtuva lii- nen korjaus on usein tarpeen, koska HIR- ke lasketaan olettamalla aineen olevan LAM-mallin erotustarkkuus 27 km ei ole joko pallomaisena (ei-dispergoitunut, varsinkaan rannikon lähellä riittävä. vettä raskaampi aine) tai dispergoitunee- Muut säätiedot eivät ole lyhyillä jaksoil- na vesimassassa. Pohjalle joutuneen ai- la yhtä kriittisiä kuin tuuli virtausten las- neen leviäminen riippuu mallissa pohjan kennan kannalta. Toisaalta kemiallisia laadusta ja muodosta. prosesseja, erityisesti haihduntaa lasket- Veteen joutunutta ainetta voidaan taessa säätilalla on suuri vaikutus. Tarvit- mallissa kuvata laskennallisesti joko par- taessa malli lukee säätiedot esimerkiksi tikkeleina tai hilakoppeihin sidottuna HIRLAM-tiedostoista tai paikallismitta- pitoisuutena. Pitoisuuskuvauksen käyttö uksista. Operatiivisella mallilla voidaan soveltuu liuenneen aineen kuvaukseen. laskea ensimmäinen, nopea ennuste sta- Pitoisuuskuvausta käytettäessä sekoittu- tionäärisillä, vakiotuulella lasketuilla ken- minen riippuu aineen pitoisuuseroista. tillä. Onnettomuustilanteiden laskennas- Ongelmana on todellisuutta suurempi sa lyhytaikaisen kulkeutumisen ja meri- sekoittuminen, joka johtuu numeerisis- alueen dynamiikan vaikutus korostuu, ta syistä. Partikkelikuvaus soveltuu pa- joten koko dynamiikka voidaan laskea remmin tarkempaa kulkeutumisen kuva- myös täysimääräisenä. usta varten. Jos virtausten mukana kulkeutuvaa ainetta esiintyy ainoastaan pintakalvona, kulkeutuminen voidaan kuvata hyvällä 2.2.2 Mallien käyttö tarkkuudella yksinkertaisella tuuliriip- operatiivisessa toiminnassa puvuudella. Kuitenkin havaintojen perusteella välittömästi pinnan alapuolella Malli tarvitsee onnettomuustilanteiden oleva virtaus voi olla jopa tuulelle vastak- laskentaa varten seuraavat tiedot:

kainen. Eräs virtauksia liikkeelle paneva ○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○ Suomen ympäristö 559 ○○○○○○○○○○○○○○○○ 13 – tuuli ja muut säätiedot (ilman läm- tusravinteiden vajoaminen ja sedimen- pötila, kosteus, ilmanpaine jne.) toituminen (Kuva 3). Happipitoisuudes- – jäätilanne ta riippuvia sedimenttiprosesseja kuten – tiedot onnettomuudesta (ajankohta, sisäistä kuormitusta ei ole toistaiseksi sijainti) ja laskennan ohjaus (malli- huomioitu mallissa. Mallin lähtötiedoik- ajon kesto) si tarvitaan tiedot ravinnekuormitukses- – tiedot aineesta (kemikaali, öljy) tai ta, ravinnepitoisuuksien alkuarvoista, jo- kappaleesta kivirtaamista, veden lämpötilasta, auringon säteilystä sekä mallin toiminnan va- Mallista on apua kun: lidointia varten mittaustuloksia ravinne- – onnettomuuspaikka on likimain tie- pitoisuuksista ja leväbiomassoista. dossa, mutta kulkeutuminen on tuntematon – olosuhteet estävät öljyn tai ajelehtivan veneen seurannan (pimeys, sumu, myrsky, uppoaminen) – päätetään varoalueista ja torjunta- toimista – jäljitetään tuntematonta päästöläh- dettä – koulutetaan torjuntahenkilöstöä – varaudutaan ennakolta torjuntatoi- miin – selvitetään ympäristökatastrofeja (esim. 1990-luvulla Suomenlahden lintukuolemat)

Mallit ovat yksi keinoista auttaa meripelastus-, torjunta- ja valvontaviran- omaisia etsinnöissä ja torjuntatoimien kohdentamisessa sekä tilanteiden arvi- Kuva 3. Ekosysteemimallin laskentamuuttu- oinneissa ja dokumentoinnissa. Meripe- jat ja prosessit. lastuksessa malleilla voidaan määrätä et- sintäpaikat, kun merihätään joutuneen Ekosysteemimallin keskeinen toi- haaksirikkopaikka ja -aika tunnetaan. mintaperiaate on kuvata kasviplankton Kemikaalionnettomuustilanteissa ei pys- kahtena kilpailevana lajiryhmänä. Nämä tytä useinkaan tehokkaisiin torjuntatoi- kaksi ryhmää ovat ilmakehästä liuennut- miin. Tällöin mallien tehtäväksi jää vai- ta typpeä sitovat sinilevät ja muu kas- kutusalueiden arviointi, jolloin väestöä viplankton (Tyrrell 1999). Muu kas- voidaan varoittaa veden käytöstä ja ka- viplankton kasvaa nopeammin ja syrjäyt- lastuksesta saastuneella alueella. tää typpeä sitovat sinilevät aina, kun sekä liukoista typpeä että fosforia on riittävästi saatavilla. Kun pintaveden liukoiset typ- pivarastot on käytetty loppuun, ilmake- 2.3 HESPO- hän typpeä sitovat sinilevät saavat kilpai- ekosysteemimalli luedun. Sinilevien kasvun on havaittu vaativan muuta kasviplanktonia kor- Ekosysteemimalli perustuu virtausmallin keamman kasvulämpötilan. Voimak- hilaan ja sillä laskettuihin virtauksiin. kaimmillaan kasvu on Itämerellä yli 16°C Laskentamuuttujina ovat liukoinen fos- lämpötilassa (Kononen & Leppänen fori ja typpi, kuolleen leväbiomassan 1997). Kummatkin leväryhmät käyttävät (detritus) sisältämä typpi ja fosfori sekä mallissa ravinteita Redfield-suhteessa kolme leväryhmää. Mallin sisältämiä pro- (Redfield 1958) eli typpeä käytetään 7,2

sesseja ovat kulkeutumisen lisäksi detri- kertaa enemmän kuin fosforia. ○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○ 14 ○○○○○○○○○○○ Suomen ympäristö 559 Kun levät kuolevat, niiden sisältä- nasta kerätyn aineiston pohjalta määri- mät ravinteet muuttuvat detritustypek- tettiin karkeat riippuvuussuhteet kiinto- si ja -fosforiksi, jotka vajoavat vesipat- ainepitoisuuden ja leväbiomassan samen- saassa tasaisella nopeudella ja hajoavat tavalle vaikutukselle (Kuva 4). Muuttuji- liukoisiksi ravinteiksi lämpötilasta riip- en välinen riippuvuus oletettiin linea- puvalla nopeudella. Kun jäljelle jääneet ariseksi tulosten tulkinnan helpottami- detritusravinteet saavuttavat pohjan, ne seksi. Rihmalevämallin toimintaa kuvaa- alkavat sedimentoitua tasaisella nopeu- vat yhtälöt ja parametrit on kuvattu Liit- della pysyvästi pois ravinnekierrosta. Ty- teessä 2. pen poistumista takaisin ilmakehään ei ole mallissa kuvattu erillisenä prosessi- na vaan se on sisällytetty detritustypen sedimentaatioon. HESPO-ekosysteemi- malliin on lisätty Vantaanjoesta tulevan suuren kiintoainekuorman takia ominai- suus, jolla kuvataan savisamennuksen kasviplanktonin kasvua hidastavaa vaikutusta. Ekosysteemimallin toimintaa kuvaavat yhtälöt ja parametrit on kuvattu Liitteessä 2. Malli laadittiin koko Suo- menlahtea koskevassa projektissa 1999- 2000, jonka loppuraportissa sen toiminta ja testaus on esitetty (Kiirikki ym. 2001b). Ekosysteemimallissa on mukana rantavyöhykkeen rihmaleviä kuvaava osa (Kiirikki ym. 1998). Rihmalevämalli pys- tyy nykyisellään kuvaamaan keväällä rantavyöhykkeen valtalajina kasvavaa Pilayella littoralis-levää (laskentamuuttuja FIL1). Malli kuvaa rihmalevien kasvupotentiaalia, jolla tarkoitetaan kasvua mikä- li kuvatulla alueella olisi niille sopivia kasvupaikkoja. Skenaarioiden vaikutusten arvioinnissa on käytetty rihmalevien kasvupotentiaalia 2 m syvyydellä. Rihma- levämallin semi-kvantitatiivisuuden takia rihmalevien kasvu ja ravinteiden Kuva 4. Rihmalevämallin secchi-syvyyttä kuvaavan yhtälön käyttö on kytketty pois muun mallin ra- (Liite 2) perustana käytetty kiintoaineaineisto (n=327, vinnetaloudesta. Tällä tarkoitetaan sitä, R2=0,22) ja kasviplanktonaineisto (n=261, R2=0,13). että ympäröivän vesimassan ravinnepitoisuudet vaikuttavat rihmalevien kasvu- potentiaaliin, mutta rihmalevien kasvu ei 2.4 Mittausaineisto kuluta ympäröivän vesimassan ravinne- varastoja. Ravinteiden lisäksi rihmalevi- 2.4.1 Virtausmittaukset en kasvunopeuteen vaikuttaa olennaises- ti veden kirkkaus, joka säätelee pohjalle Mallin toiminnan testaamisessa käytet- tunkeutuvan valoenergian määrää. Tär- tiin Helsingin ja naapurikuntien meri- keimmät, yleensä Secchi-syvyytenä mitat- alueilla vuosina 1973-1999 tehtyjä virtaus- tavaan veden kirkkauteen vaikuttavat te- mittauksia. Vuosien 1973-74 mittaukset kijät ovat kasviplanktonin ja kiintoaineen on suorittanut Helsingin kaupungin ra- pitoisuudet. Tästä syystä jokien kiintoai- kennusvirasto (Hari & Soini 1975), 1990- nekuorma otettiin mallissa mukaan 91 Vesi- ja ympäristöhallitus ja 1995-1999 omaksi laskentamuuttujakseen. Suomen Suomen ympäristökeskus (SYKE). Van-

ympäristökeskuksen VETREK-tietokan- hojen mittausten lisäksi Helsingin alueen ○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○ Suomen ympäristö 559 ○○○○○○○○○○○○○○○○ 15 salmissa tehtiin kesän 2000 aikana vir- Käytetyssä havaintoaineistoissa mittaus- tausmittauksia (SYKE), joilla pyrittiin jaksot ovat tyypillisesti noin yhden kuu- selvittämään mm. Helsingin länsipuolen kauden pituisia ja niitä kuvaavien regres- lahtien ja saariston vedenvaihtoa. Mitta- sioyhtälöiden selitysaste on useimmissa uspisteiden sijainti käy ilmi Kuvassa 5. tapauksissa yli 50 %. Tämä antaa varsin Virtausmittauksista sekä tuuli- ja veden- hyvän lähtökohdan mitattujen ja mallil- korkeustiedoista laskettiin virtauksia ku- la laskettujen virtausten vertailuun. Mit- vaavat regressioyhtälöt. Käytetyt tuulet taussyvyydet ja -ajankohdat sekä regres- ovat Isosaaren mittausasemalta, mitatut sioyhtälöiden selitysasteiden suuruus- pinnankorkeudet Merentutkimuslaitok- luokat on esitetty Taulukossa 1 koko käy- sen Helsingin mareografilta. Regressio- tettävissä olevalle mittausaineistolle. analyysissä pyritään selittämään virtauk- Eri tekijöiden selitysosuuksia vertai- sen itä- ja pohjoiskomponentteja tuulen lemalla saadaan käsitys tuulen ja veden- ja vedenkorkeuden vaihteluilla. korkeuden vaikutuksesta virtausten syn- Virtaushavainnot tehdään yleensä tyyn eri mittauspisteissä. Toisinaan yksi 10 min välein, jolloin havaintoaineistos- tai useampi selittävä muuttuja ei ole mer- sa esiintyvä ajallinen vaihtelu on suurta. kitsevä tilastolliselta kannalta ja jää pois Regressioyhtälöiden laskemiseksi käyte- regressiomallista. Jossain tapauksessa ti- tään tunti- tai vuorokausikeskiarvoja, jot- lastollista yhteyttä ei ilmene lainkaan, tai ka suodattavat pois lyhytaikaisia väräh- se löytyy vain toiselle virtauskomponen- telyjä ja nettovirtaus saadaan selvemmin tille. Yksikomponenttinen virtaus on lä- näkyville. Regressioyhtälön selitysaste hes poikkeuksetta rantojen ja pohjan (R2) kertoo kuinka suuren osan yhtälö muotojen määräämän pääsuunnan mu- selittää virtausten kokonaisvaihtelusta. kainen.

Kuva 5. Rihmalevien seuranta-, vedenlaadun ja virtausten mittauspisteet HESPO-mallihilan alueella. Virtausmittaus- pisteiden numerointi viittaa Taulukkoon 1. Rihmaleväpisteet: I Furuholm, II Haukilahti, III Lauttasaari ja IV Vuosaari. Vedenlaatupisteet: V Vanhankaupunginlahti, VI Kruunuvuorenselkä ja VII Katajaluoto. Punaisella ympäröidyt kohdat

viittaavat mallinnettujen ja mitattujen virtausten vertailuihin Kuvissa 9-11. ○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○ 16 ○○○○○○○○○○○ Suomen ympäristö 559 Taulukko 1. Yhteenveto virtausmittaukista pisteittäin. Piste Pohjan Mittaussyvyydet [m] Mittausjakso Regression kuvassa 5 syvyys [m] R2 välillä 1 27.0 6.0 17.0 1973 toukokuu 0.04 - 0.76 2 26.0 9.0 1973 toukokuu 0.32 - 0.51 3 27.0 10.0 1973 toukokuu 0.15 - 0.87 4 28.0 9.0 20.0 1973 toukokuu 0.16 - 0.73 5 30.0 10.0 20.0 1973 joulukuu 0.27 - 0.76 6 6.0 3.0 1973 huhtikuu 0.53 - 0.87 7 11.0 5.0 1973 huhtikuu 0.86 - 0.91 8 27.0 8.0 16.0 1973 huhti-touko 0.28 - 0.72 9 7.0 4.0 1973 huhtikuu 0.86 - 0.94 10 19.0 8.0 1974 syyskuu 0.64 - 0.66 10 4.0 1.5 1995 heinä-syys 0.38 - 0.50 11 22.0 8.0 1974 syyskuu 0.73 - 0.74 12 18.0 5.0 9.0 14.0 1974 elokuu 0.01 - 0.12 13 27.0 12.0 1974 kesä-heinä 0.11 - 0.37 14 17.0 6.0 10.0 1974 huhti-touko 0.07 - 0.69 15 18.0 8.0 1974 syys-loka 0.58 - 0.61 16 18.0 7.0 1974 elokuu 0.14 - 0.35 17 7.0 4.0 1974 heinä-elo 0.38 - 0.68 17 4.6 1.7 1991 maaliskuu ei reg.mallia 17 3.5 1.5 1991 huhti-kesä 0.13 - 0.88 17 3.5 1.5 1991 heinä-elo 0.16 - 0.63 18 24.0 7.0 1974 kesä-heinä 0.32 - 0.52 19 5.7 1.7 1990 loka-marras 0.50 - 0.63 19 4.6 1.7 1991 helmi-maalis ei reg.mallia 20 12.0 2.2 6.5 1990 loka-marras 0.15 - 0.68 21 8.5 2.2 1990 loka-marras 0.28 - 0.80 22 10.0 2.0 7.0 1991 heinä-elo 0 - 0.53 22 15.0 1.5 8.5 1995 heinä-syys 0.24 - 0.55 23 9.0 2.0 6.0 1991 heinä-elo 0 - 0.77 24 10.0 4.5 1991 huhti-heinä 0 - 0.82 25 16.0 4.0 1991 toukokuu ei reg.mallia 25b 16.5 4.5 1991 touko-heinä 0.10 - 0.23 26 26.0 7.0 18.0 1996 heinäkuu 0.17 - 0.46 26 26.0 7.0 18.0 1996 elo-syys 0.16 - 0.49 27 36.0 7.0 18.0 28.0 1996 heinäkuu 0 - 0.62 27 36.0 7.0 18.0 28.0 1996 elo-syys 0 - 0.58 28 10.5 2.5 8.0 1998 marras-joulu 0 - 0.47 28 9.0 2.0 6.5 2000 heinä-elo 0.25 - 0.60 29 10.5 2.5 7.5 1998 marras-joulu 0 - 0.66 30 9.7 3.0 7.0 1998 marras-joulu 0 - 0.69 32 4.5 2.0 1999 helmi-maalis 0.27 - 0.65 33 3.5 2.5 2000 elokuu 0 - 0.22 34 3.5 2.0 2000 heinä-elo 0.62 - 0.64 35a 3.5 1.5 2000 heinä-elo 0.08 - 0.36 35b 4.5 3.5 2000 elokuu 0 - 0.23 36 4.5 2.5 2000 heinä-elo 0 - 0.52 37 3.5 1.8 2000 elo-syys 0 - 0.11 38 3.5 1.5 2000 heinä-elo 0.43 - 0.47

39 3.5 2.0 2000 elokuu 0.42 - 0.46 ○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○ Suomen ympäristö 559 ○○○○○○○○○○○○○○○○ 17 Regressioyhtälöiden avulla lasket- tausmittauksia vain muutaman kerran tiin mittauspisteillä vallitsevat virtaukset, vuodessa, joten kuormat ovat useamman kun tuulen suunta ja nopeus pysyvät va- kuukauden keskiarvoja. kioina. Virtaukset laskettiin ilman veden- Pistekuormittajia mallissa ovat Hel- korkeusvaihtelua, jonka yhteys tuuleen ei singin Viikinmäen ja Espoon Suomen- ole yksiselitteinen ja jonka vaikutus vir- ojan jätevedenpuhdistamot. Kuormat las- tauksiin on yleensä tuulen vaikutusta pie- kettiin liukoisten ravinteiden mittauksis- nempi. ta. Viikinmäen kuormituksen laskenta perustuu päivittäistarkkailutuloksiin. Viikinmäen puhdistamon kokonaiskuor- 2.4.2 Kuormitus mituksena on käytetty puhdistetun veden (kg/d) ja ohitusveden (kg/d) kuormi- HESPO-ekosysteemimallissa käytetään tuksen summaa. Näytteet puhdistetusta laskentamuuttujina liukoisia epäorgaani- vedestä on kerätty virtaamapainotetusti sia ravinteita (DIN, DIP), koska ne edus- vuorokauden kokoomanäytteinä. Koska tavat leville käyttökelpoista osaa koko- kaikilta päiviltä ei ole näytteitä, on kaik- naisravinteista. Mallin ravinnekuormit- kien päivien tulokset laskettu 7 päivän tajina käytettiin merialueelle laskevia jo- liukuvalla keskiarvolla. Ohitusvedestä ei kia sekä yksittäisiä suurimpia pistekuor- kaikilta osin ole mittaustuloksia, minkä mittajia. Helsingin seudun merialueelle vuoksi ohitusveden aiheuttaman kuormi- laskee vain yksi suuri joki, Vantaanjoki. tuksen laskennassa on käytetty pitoisuuk- Malliin lisättiin myös kolme pientä joki- sina laskennallisia suureita ja päiväkoh- kuormittajaa, Espoonjoki, Mankinjoki ja taista ohitusvirtaamaa. Espoosta oli saa- Gräsanoja. Vantaanjoen jokikuorma (kg/ tavissa kolmen kuukauden keskiarvo- d) laskettiin liukoisten ravinteiden kuu- kuormat. Taulukossa 2 on esitetty mallis- kausikeskiarvoista ja päivittäisistä virtaa- sa käytetty biologisesti käyttökelpoinen mista. Fosforin osalta käytettiin Nucleo- typen ja fosforin vuosikuorma ja Taulu- pore-suodatettuja fosfaattipitoisuuksia. kossa 3 vertailuksi kokonaisravinteiden Suodatettu fosfaatti saattaa kuitenkin olla vuosikuormat. Kuvassa 6 on esitetty koko lievä aliarvio savisamean Vantaanjoen Suomenlahdelle ja Kuvassa 7 Helsingin käyttökelpoisen fosforin osuudesta. Van- alueelle tulevan biologisesti käyttökelpoi- taanjoen suodatetuista mittauksista las- sen typen ja fosforin kuorma. Vantaan- kettu fosforikuorma kerrottiin 1,2:lla, jot- joki ja Helsingin kaupungin jätevedet ta se kuvaisi paremmin nimenomaan dominoivat alueelle tulevaa ravinnekuor- käyttökelpoista fosforia (Ekholm 1998). maa. Näistä kahdesta lähteestä on peräi- Pienemmistä joista oli ravinne- ja vir- sin 74-79 % käyttökelpoisen fosforin ja 84 % käyttökelpoisen typen kuormasta.

Taulukko 2. Helsingin edustan ravinnekuormitus biologisesti käyttökelpoisina ravinteina 1998-2000, sekä skenaarioiden laskennassa käytetyt kuormitukset (Vantaanjoki -20 %, Viikinmäen jätevedenpuhdistamo keskimäärin -47 % ja Suomenojan jäteveden- puhdistamo -10 % käyttökelpoisesta ravinnekuormasta). 1998 1999 1999 2000 1998 1999 1999 2000 (nykytila) skenaario (nykytila) skenaario Kuormittaja DIN tn/v DIN tn/v DIN tn/v DIN tn/v DIP tn/v DIP tn/v DIP tn/v DIP tn/v Vantaanjoki 1 041.4 1 095.2 876.2 1 483.7 15.9 9.1 7.3 13.7 Viikinmäen jäteveden- 1 287.3 1 293.5 685.6 1 211.2 14.6 19.0 10.1 19.5 puhdistamo (Helsinki) Suomenojan jäteveden- 423.4 416.1 374.5 445.3 7.1 7.3 6.6 7.3 puhdistamo (Espoo) Espoonjoki 20.8 21.5 21.5 30.2 1.7 1.6 1.6 0.8 Mankinjoki 14.6 14.6 14.6 23.1 0.8 0.8 0.8 0.5

Gräsanoja 1.2 1.8 1.8 0.9 0.02 0.01 0.01 0.02 ○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○ 18 ○○○○○○○○○○○ Suomen ympäristö 559 Taulukko 3. Helsingin edustan ravinnekuormitus kokonaisravinteina 1998-2000. 1998 1999 2000 1998 1999 2000 Kuormittaja totN tn/v totN tn/v totN tn/v totP tn/v totP tn/v totP tn/v Vantaanjoki 1 587.6 1 377.3 1 867.3 75.0 93.5 89.7 Viikinmäen jäteveden- 1 390.1 1 427.7 1 357.2 54.7 51.7 52.8 puhdistamo (Helsinki) Suomenojan jäteveden- 423.4 423.4 449.0 10.9 11.8 12.6 puhdistamo (Espoo) Espoonjoki 41.6 43.0 60.4 4.4 4.2 2.1 Mankinjoki 26.3 26.3 41.6 3.0 3.0 1.9 Gräsanoja 1.6 2.3 1.2 0.05 0.02 0.05

Kuva 6. Suomenlahdelle tuleva biologisesti käyttö- kelpoinen typen ja fosforin kuorma 90-luvun lopussa.

Kuva 7. Helsingin seudun merialueelle tuleva biologisesti käyttökelpoinen typen ja fosforin kuorma

90-luvun lopussa. ○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○ Suomen ympäristö 559 ○○○○○○○○○○○○○○○○ 19 2.4.3 Vedenlaatutiedot 2.4.4 Rihmalevät Ekosysteemimallin validoinnissa eli mal- Rihmalevien biomassasta kerättiin aineis- lin testauksessa tarkasteltiin liukoisen toa avovesikauden 2000 aikana neljältä typen ja fosforin pitoisuusmittauksia 11 havaintopisteeltä (Kuva 5). Havaintopis- pisteeltä Helsingin ja Espoon edustan teiden sijoittelussa kriteereinä olivat rih- merialueelta vuosilta 1999 ja 2000. Tulok- maleville sopiva kasvuympäristö, joka on sia on esitetty tässä yhteydessä 3 pisteel- yleensä kova kallio- tai kivikkopohja. Suu- tä (Vanhankaupungin lahti 4 Vantaanjo- ria rihmalevämassoja voidaan myös tava- en lähellä, Vasikkasaari 18 Kruunuvuo- ta hiekkapohjilta joko putkilokasvien epi- renselällä ja Katajaluoto 125 avomerellä), fyytteinä tai suojaisilla rannoilla myös jotka edustavat kolmea erityyppistä ve- hiekkapohjalla kasvavina levämattoina. sistön osaa. Pisteiden sijainti on esitetty Pisteiden sijoittelun kriteerinä oli myös Kuvassa 5. Mallin validoinnissa käytettiin helppo saavutettavuus, jotta riittävän ti- myös Helsingin kaupungin ympäristö- heän havaintoaineiston kerääminen ei vaa- keskuksen tekemiä planktonlevien bio- tisi kohtuutonta työpanosta. Tästä syystä massamäärityksiä. Vanhankaupunginlah- kaikki havaintopisteet ovat rannikolla ja delta ja Katajaluodosta biomassamääri- tieyhteyden päässä olevilla saarilla. Kulla- tyksiä oli molemmilta vuosilta, mutta kin havaintopisteellä kasvillisuus tutkittiin Kruunuvuorenselältä vain vuodelta 1999. sukeltamalla kolmelta syvyysvyöhykkeel- Kruunuvuorenselän vuoden 2000 malli- tä (0,2 m, 0,5 m ja 1,5 m) noin 5 m2 kokoi- tuloksia on verrattu a-klorofyllistä lasket- selta alueelta. Havaintokertoja oli vuonna tuun biomassaan, joka tosin on yksinker- 2000 yhdeksän: 18.4., 2.5., 13.5., 30.5., 13.6., taistus ja keskiarvo todellisesta, alueelli- 7.7., 8.8., 26.8. ja 25.9. Havaintopisteiden sesti, ajallisesti ja lajiston mukaan vaih- kasvillisuus kvantifioitiin tilavuusarvio- televasta suhteesta. Tähän laskennalli- menetelmällä (Kiirikki 1996). Menetelmä seen biomassaan sisältyvät sekä sinilevät perustuu lajikohtaiseen peittävyysarvioon että muut planktonlevät. Muuntamises- ja kasvuston korkeuden mittaukseen. Tu- sa käytettiin kaavaa, joka perustuu 90-lu- loksena on levien täyttämä tilavuus poh- vulla tehtyihin yhtäaikaisiin klorofylli- ja jan pinta-alayksikköä kohti. Levien tila- biomassamittauksiin useilla Suomen ran- vuus voidaan muuttaa kuivapainoksi mit- nikon mittauspisteillä (Kuusisto 1997). tauksiin perustuvan kertoimen avulla (Kii- Yhtälö on esitetty Liitteessä 2. rikki ym. 1998). Ravinnepitoisuuksia on mitattu Kuvassa 8 on esitetty rihmaleväbio- avovesikaudella tavallisesti 1-2 kertaa massojen kehitys kunkin havaintopisteen kuukaudessa usealta syvyydeltä. Fosforin syvimmällä tutkitulla vyöhykkeellä. Le- osalta käytettiin Nucleopore-suodatettu- välajit on jaettu kahdeksi ryhmäksi: ke- ja fosfaattipitoisuuksia, mikäli niitä oli vätlajit (Pilayella littoralis) ja kesälajit (Ec- saatavilla. Kiintoaineeseen sitoutunut tocarpus siliculosus, Cladophora glomerata ja fosfaatti ei ole suoraan leville käyttökel- Enteromorpha spp.). Kummankin lajiryh- poista, joten se haluttiin rajata mittaus- män suurimmat biomassat havaittiin tuloksista pois. Lauttasaaren Kasinonlahden uimaran- Kasviplanktonbiomassa [g m-3] on nalla. Kasinonlahti on matala hiekkapoh- muutettu koko tuottavan kerroksen bio- jainen lahti, jossa rihmalevät kasvavat massaksi [g m-2] kertomalla se näytteen- runsaan putkilokasvillisuuden epifyyt- ottosyvyydellä eli kaksi kertaa näkösyvyy- teinä. Mataluudesta johtuva hyvä valais- dellä. Mittaustuloksia verrattiin mallin tustilanne ja putkilokasvien tarjoamat laskemiin ravinteiden ja kasviplanktonin kiinnittymisalustat tekevät Kasinonlah- pitoisuuksiin ja biomassoihin. Vertailussa desta, hiekkapohjasta huolimatta, erittäin käytettiin ylimmän kymmenen metrin otollisen rihmalevien kasvuympäristön. ravinnemittausten keskiarvoja. Mallissa Haukilahden Mellstenin uimaranta käytetyt liukoisten ravinteiden alkuarvot muistuttaa monessa suhteessa Kasinon- perustuvat vuosina 1999-2000 tehtyihin lahtea, mutta putkilokasvien määrä on

talvikauden ravinnemittauksiin. siellä hyvin vähäinen. Kiinnittymisalus- ○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○ 20 ○○○○○○○○○○○ Suomen ympäristö 559 Kuva 8. Rihmaleväbiomassa tutkimuspisteillä. tojen puutteessa rihmalevien biomassa sitelty jätevesi johdetaan biologisille suo- onkin Mellstenissä jäänyt selvästi kaikkia dattimille ennen mereen johtamista. Jäl- muita havaintopisteitä vähäisemmäksi. kisuodatus pienentää biologisesti käsitel- Lauttasaaren ja Haukilahden hiek- lyn jäteveden fosfori- ja nitraattipitoi- karantojen rihmaleväbiomassat riippuvat suuksia. Jälkidenitrifikaatiosuodatin on voimakkaasti putkilokasvien määrästä ja valmis 2003. Vuoteen 2004 mennessä Vii- tästä syystä niitä ei pystytä ennustamaan kinmäkeen valmistuu kahdeksas aktiivi- luotettavasti ekosysteemimallilla. Mallin lietelinja. Uusi linja lisää puhdistuskapa- validoinnissa käytettiin tyypillisiä kivik- siteettia, jolloin ohituksista aiheutuva ko- tai kalliopohjaisia rihmalevien kasvu- kuormitus tulee pienentymään. Lisälin- ympäristöjä edustavien Suvisaariston ja ja kompensoi pääasiassa Viikinmäkeen Vuosaaren havaintopisteiden tuloksia. johdettavien jätevesien kasvusta johtu- vaa puhdistuskapasiteettivajetta. Kuor- mitusennusteessa on huomioitu myös 2.5 Skenaariotarkastelu suunnitteilla oleva ohitusvesien erilliskä- sittely saostuksella. Päätöstä ohitusvesi- 2.5.1 Vesiensuojeluskenaarioi- en erilliskäsittelyn investoinnista ei ole den kuvaukset vielä tehty. Erilliskäsittely pienentää ohi- tusvesistä aiheutuvaa fosforin kuormaa. Pääkaupunkiseudulla suunniteltujen ve- Saostus valmistuu mahdollisesti 2004 ak- siensuojelutoimenpiteiden vaikutuksia tiivilietelinjan yhteydessä. Näiden kaik- arvioitiin kahden vesiensuojeluskenaari- kien toimenpiteiden seurauksena vähen- on avulla. Ensimmäisessä skenaariossa nystä Viikinmäen ravinnekuormassa las- tarkasteltiin pääkaupunkiseudun jäteve- kettiin tapahtuvan keskimäärin 47 % bio- sikuormassa tapahtuvia muutoksia jäte- logisesti käyttökelpoisen typen ja fosfo- vesien puhdistustehon noustessa. Las- rin kuormassa. kennassa otettiin huomioon sekä Helsin- Espoon jäteveden puhdistamolle gissä että Espoossa tapahtuvat kuormi- (Suomenoja) arvioitiin tässä tarkastelus- tusvähennykset. Viikinmäen jäteveden- sa vähennystä 10 % sekä typelle että fos- puhdistamolle rakennetaan jälkidenitri- forille. Kirkkonummen ja Siuntion jäte-

fikaatiosuodatin. Kaikki biologisesti kä- vedet tullaan ohjaamaan muutaman vuo- ○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○ Suomen ympäristö 559 ○○○○○○○○○○○○○○○○ 21 den sisällä Espoon puhdistamolle. Tällöin Mallilla laskettiin kummassakin ske- puhdistamolle tuleva jätevesimäärä kas- naarioissa yhden kasvukauden pituinen vaa hieman. Suomenojan jätevedenpuh- jakso 1.1.-30.9.1999, joka riittää toimenpi- distamolle ei ole tiedossa isoja muutok- teiden välittömien vaikutusten arvioimi- sia prosessiin, mutta mm. pintalietteen- seen rannikon lahdissa ja saaristossa, jos- poistoa tullaan tehostamaan. Typenpois- sa veden viipymä on suhteellisen lyhyt. toa kehitetään, ja mahdollisesti vuoteen Mallin alkuarvoina käytettiin kevättalven 2003 mennessä Suomenojalla otetaan 1999 ravinnepitoisuusmittauksia ja las- käyttöön ohitusvesien erilliskäsittely. Ter- kenta suoritettiin kokonaisuudessaan tiäärikäsittelyä harkitaan typen- ja fosfo- kerrostuneita virtauskenttiä käyttäen. rinpoistoa varten viiden vuoden sisällä. Ensimmäinen laskenta tehtiin vuo- Toinen skenaario kuvaa karkeasti den 1999 ravinnekuormalla ja seuraava Vantaanjoen kautta mereen tulevassa skenaarion mukaisesti vähennetyllä kuormassa tapahtuvia muutoksia. Kuor- kuormalla. Skenaarion tuloksena saatuja mitusvähennysten arvioinnissa on otet- keskimääräisiä leväbiomassoja verrattiin tu huomioon maataloudessa tapahtuvat vuoden 1999 kuormalla laskettuihin bio- päästövähennykset Maatalouden ympä- massoihin. Tulokset esittävät skenaarion ristöohjelman toteutuessa (Palva ym. aiheuttamaa muutosta leväbiomassassa 2001). Skenaariossa tarkasteltiin HESPO- prosentteina ilmaistuna. Havaintorajak- hankkeen ohjausryhmässä realistiseksi si valittiin 2 %. Kahta prosenttia pienem- arvioitua 20 % vähennystä käyttökelpoi- mät muutokset jätettiin huomiotta. Pie- sen typen ja fosforin kuormissa. nehköä kynnysarvoa käytettiin, koska haluttiin saada esiin myös vähäiset muutokset. Skenaarioiden vaikutukset on esi- 2.5.2 Vesiensuojeluskenaarioi- tetty kahden laskentamuuttujan avulla: den vaikutusten laskenta Kasviplanktonin kokonaisbiomassa, jolla tarkoitetaan typpeä sitovien si- Ekosysteemimallille laadittiin vesiensuo- nilevien ja muiden planktonlevien yh- jeluskenaarioita ja nykytilaa (1999) kuvaa- teenlaskettua biomassaa (ALG1 + ALG2). vat kuormitustiedostot. Kuormitus on tie- Tämä laskentamuuttuja havaitaan meri- dostossa jaettu rannikon suuriin kuormi- alueella parhaiten veden sameutena. tuslähteisiin kuten joet, asutuskeskukset Rantavyöhykkeen rihmalevät ja teollisuuslaitokset. Mallin sisällytetty- (FIL1), jotka näkyvät selvimmin rantojen jen suurten kuormittajien ulkopuolelle limoittumisena, rannalle ajautuneina hai- jäävä ravinnekuorma on jaettu tasaisesti sevina levälauttoina sekä kalaverkkojen koko rantaviivalle. Mallissa on lisäksi likaisuutena. huomioitu ilman kautta tuleva typpi- kuorma. Kuormitusvähennyksiä lasketta- essa lähtötilanteena on käytetty vuoden

1999 kuormitusta. ○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○ 22 ○○○○○○○○○○○ Suomen ympäristö 559

Tulokset ja johtopäätökset ○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○ ○○○○○○○○○○○○○○○○○ 3 3.1 Virtausmalli köisesti mallin erotustarkkuudesta, joka ei riitä kuvaamaan kaikista pienipiirtei- Virtausmallilla laskettiin vakiotuulen- simpiä rannikon ja saariston muotoja. suunnalla ja nopeudella virtaukset, joita Vuosaari: Vuosaaren alueen ongel- verrattiin mittauksista ja tuulitiedoista mana on mallin suhteellisen suuri hila- lasketun tilastollisen regressiomallin an- koko verrattuna alueen salmiin ja ran- tamiin vakiovirtauksiin. Tarkasteluun nanmuotoihin, jotka virtauksia ohjaavat. valittiin pisteet, joilla ainakin toisen vir- Tämä huomioiden vastaavuus on kuiten- tauskomponentin tuuliriippuvuus oli kin pääsääntöisesti hyvä. Mallinnettu vir- suurempi kuin 60 % (R2>0,6). Kuvissa 9- taus on syvyydeltä 1,5 m. 11 on esitetty esimerkkinä virtausten ver- Mustahevonen: Vastaavuus on tailu kolmella Vuosaaresta ulkomerelle hyvä. Kaakkoistuulella saaren ranta oh- ulottuvalla mittauspisteellä 5 m/s puhal- jaa virtauksia luonnossa voimakkaammin tavalla kaakkois- ja lounaistuulella. Vuo- kuin mallissa. Mallinnettu virtaus on ker- saaresta on esitetty pintavirtaukset, Mus- roksesta, jonka keskisyvyys on 7 m. tahevoselta virtaukset 8 m syvyydestä ja Itätonttu: Vastaavuus on varsin Itätontusta pohjan läheiset virtaukset 28 hyvä. Mittauspiste on tässä vertailussa m syvyydestä. olevista pisteistä syvimmällä. Mallinnet- Mallin vastaavuus mittauksista saatu virtaus on kerroksesta, jonka keskisy- tuihin tilastollisiin virtauksiin on hyvä. vyys on 32,5 m. Tyypilliset poikkeamat johtuvat todennä-

Hespo, tuuli 5 m/s lounaasta Hespo, tuuli 5 m/s kaakosta

10 CM/S 10 CM/S OUTPUT DEPTH: 1.50 M OUTPUT DEPTH: 1.50 M 2 KM 2 KM

Kuva 9. Mallin laskemien virtausten vertailu mittauksiin Vuosaaressa. Mittauksiin perustuvan

regressioanalyysin mukainen nuoli on tumma ja paksumpi. Tuuli lounaasta ja kaakosta 5 m/s. ○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○ Suomen ympäristö 559 ○○○○○○○○○○○○○○○○ 23 Hespo, tuuli 5 m/s lounaasta Hespo, tuuli 5 m/s kaakosta

10 CM/S 10 CM/S OUTPUT DEPTH: 7.00 M OUTPUT DEPTH: 7.00 M 1 KM 1 KM

Kuva 10. Mallin laskemien virtausten vertailu mittauksiin Mustahevosella. Mittauksiin perustuvan regressioanalyysin mukainen nuoli on tumma ja paksumpi. Tuuli lounaasta ja kaakosta 5 m/s.

Hespo, tuuli 5 m/s lounaasta Hespo, tuuli 5 m/s kaakosta

10 CM/S 10 CM/S OUTPUT DEPTH: 32.50 M OUTPUT DEPTH: 32.50 M 1 KM 1 KM

Kuva 11. Mallin laskemien virtausten vertailu mittauksiin Itätontussa. Mittauksiin perustuvan

regressioanalyysin mukainen nuoli on tumma ja paksumpi. Tuuli lounaasta ja kaakosta 5 m/s. ○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○ 24 ○○○○○○○○○○○ Suomen ympäristö 559 Kesän 2000 aikana tehtyjä mittauk- merialueen merkitys on oleellisesti suu- sia on verrattu suoraan mallin laskemiin rempi ja virtausten edestakainen heilun- virtauksiin Helsingin ja Espoon välillä ta on suhteellisesti pienempää. Mallin ja olevissa kapeissa salmissa. Mallin suori- mittausten vastaavuus on kohtuullinen, tuskyvyn parantamiseksi kapeissa ja pie- kvalitatiivisesti malli ja mittaukset käyt- nipiirteisissä salmissa varsinaisen 250 m täytyvät hyvin samankaltaisesti, myös HESPO-mallin hilan päälle rakennettiin virtausten suuruusluokat vastaavat mal- 50 m erotuskyvyllä toimiva tarkennus. lituloksia. Tätä tihennystä ei käytetty varsinaisessa HESPO-mallissa, koska sen käyttö olisi hidastanut laskentaa huomattavasti, ja 3.2 Operatiiviset projektin tarkoitus oli kuvata laajempaa merialuetta, ei pelkästään Laajalahden sovellukset salmia. Tihennys ja mittaukset tehtiin Espoon metrohankkeen ympäristövaiku- Mallia on sovellettu operatiiviseen käyt- tusten arvioimiseksi (Peltoniemi & Kopo- töön sekä kuvitteellisissa että todellisis- nen 2001), mutta niitä voitiin hyödyntää sa tilanteissa. Esimerkkeinä kuvitteellisis- myös tässä yhteydessä HESPO-mallin ta tilanteista ovat öljyonnettomuus Hel- virtausten vertailussa. Otaniemen ja Kar- singin edustalla ja veneonnettomuus Tal- husaaren salmien tuloksia sekä Helsingin linnan matalikolla. Toukokuussa 2001 pi- vedenpinnan korkeuksia on esitetty Ku- detyn meripelastusharjoituksen yhtey- vassa 12. Malli- ja mittausaikasarjoja on dessä mallia validoitiin ajelehtimisko- keskiarvoistettu 8 tunnin liukuvalla kes- keilla. Mallia käytettiin myös hukkuneen kiarvoistuksella. ihmisen etsintään joulukuussa 2000. Virtaukset Lehtisaaren-Otaniemen sillan alla ovat pääasiallisesti edestakais- ta heilahtelua. Karhusaaressa ulomman

Kuva 12. Salmensuuntaiset virtaukset Lehtisaari - Otaniemi ja Karhusaari - Hanasaari siltojen alla sekä vedenkorkeus Helsingissä vuonna 2000. Mallitulokset on kuvattu mustalla viivalla,

mittaukset punaisella. Positiivinen virtaussuunta merkitsee sisäänvirtausta. ○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○ Suomen ympäristö 559 ○○○○○○○○○○○○○○○○ 25 3.2.1 Kuvitteelliset tilanteet: tähdet ovat pohjaan osuneita partikkelei- Helsingin edustan öljyn ta. Pohja on näissä kohdissa matalalla, tai kulkeutuminen ja kappaleiden voimakastuulinen jakso on sekoittanut ajelehtiminen Tallinnan öljypisaroita syvyyssuunnassa. Virtaus- matalalta nopeudet on esitetty vektoreina. Kuvas- sa 14 on vastaava onnettomuustilanne 48 Ensimmäisessä esimerkissä on laskettu tuntia onnettomuushetkestä. Öljy on kuvitteellista öljyonnettomuutta, joka on rantautunut tai on rantautumassa laajal- tapahtunut 1.4.1998 klo 0:00 Isosaaresta le alueelle Porkkalanniemen itärannalle. lounaaseen. Kuvassa 13 on esitetty pinta- Rantautuneet partikkelit on merkitty ris- virtaustilanne, öljyn massakeskipisteen tillä. Trajektorissa näkyvät x:t ja kellon- trajektori sekä öljyläikän paikka 12 tun- ajat osoittavat öljyn massakeskipisteen tia onnettomuudesta. Kukin värillinen sijaintipaikan eri ajanhetkinä. partikkeli kuvaa pientä osaa koko öljyn Toisessa esimerkissä laskettiin ku- määrästä. Partikkelien väri kuvaa partik- vitteellinen tilanne, jossa tarkasteltiin kelin syvyyttä - punasävyiset ovat lähel- kahden eri syvyydellä kulkevan kappa- lä pintaa ja siniset n. 8 m:n syvyydellä. leen kulkeutumista Tallinnan matalikol- Partikkelien jakaantuminen syvyyssuun- ta (Kuva 15). Ensimmäinen kappale ku- nassa johtuu dispersiosta, jonka aiheut- vaa pinnalla kelluvaa ihmistä tai hylky- taa aaltojen ja virtausten sekoittava vai- tavaraa, ja toinen vedellä täyttynyttä ve- kutus erityisesti kovatuulisina jaksoina. nettä. Pinnalla kelluvan kappaleen kul- Trajektorin läheisyydessä näkyvät mustat keutuminen laskettiin 20 cm:n syvyydel-

Kuva 13. Mallilla laskettu öljyn leviäminen 12 tunnin aikana. Kuvassa on esitetty pintavirtaus- tilanne ja öljyn massakeskipisteen trajektori. Värit kuvaavat öljyn syvyyttä, punainen on pinnalla ja sininen 8 metrin syvyydessä kulkevaa öljyä. Tuulina on käytetty luonnontuulia, vallitseva

suunta koillisesta. ○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○ 26 ○○○○○○○○○○○ Suomen ympäristö 559 Kuva 14. Kuvaa 13. vastaavassa onnettomuustilanteessa laskettu öljyn kulkeutuminen 48 tunnin aikana. lä ja vedellä täyttyneen veneen 2 m:n sy- vyydellä. Esimerkissä oletettiin, että kap- paleilla ei ole merkittävää tuulipintaa, jolloin virtausten syvyyssuuntaisten ero- jen vaikutus saatiin selkeästi esiin. Las- kentajakso oli 1.3.1998-11.3.1998. Syvemmällä uiva kappale (Kuvassa 15 sinisellä piirretty trajektori) liikkui hitaammin kuin pinnemmalla oleva (Ku- vassa 15 punaisella piirretty trajektori). Myös kulkeutumissuunta oli selvästi eri- lainen. Laskennan lopputilanteessa kappaleiden välinen etäisyys oli yli 40 km. Esimerkki osoittaa, että mikäli onnettomuustilanteessa ei varmuudella tiedetä ajelehtivan kappaleen (esim. vene, ihmi- nen) ominaisuuksia ja tilannetta, kuten onko vene täyttynyt vedellä vai ei, laskenta joudutaan suorittamaan useampaan Kuva 15. Kahden kappaleen kulkeutuminen kertaan erilaisilla lähtöoletuksilla. Tallinnan matalikolta. Punaisella trajektorilla kuvatun kappaleen kulkeutuminen on laskettu 20 cm:n syvyydellä ja sinisellä kuvatun 2 m:n syvyydellä. Laskenta-aika 1.3.1998 -

11.3.1998. ○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○ Suomen ympäristö 559 ○○○○○○○○○○○○○○○○ 27 3.2.2 Todelliset tilanteet: Kevään 2001 meripelastusharjoitus ja Lapinlahden hukkuneen etsintä Keväällä 2001 järjestettiin Itämeren valti- oiden yhteinen meripelastusharjoitus. Tal- linnasta Tukholmaan lähteneestä laivasta pudotettiin pelastuslauttoja, jotka pelas- tusviranomaiset etsivät merestä. Näiden ajelehtimiskokeiden avulla mallia validoitiin sekä pyrittiin selvittämään, minkälai- sia parannuksia pitäisi tehdä laskentaan, raportointiin ja eri tahojen väliseen yhteis- Kuva 16. Mallilla lasketut virtaukset 6.5 m:n työhön. Puutteita havaittiin niin suoritus- syvyydellä sekä mahdollisesti pohjalle vajon- pyynnön tarkkuudessa, eri tahojen yhtey- neen hukkuneen kulkeutuminen 2.5 tunnin denpidossa ja yhteydenpitolomakkeissa kuluttua onnettomuudesta. Punaiset pisteet kuin myös mallilaskennan nopeudessa, kuvaavat kulkeutumisreitin lähellä pohjaa. Ar- laskennan ohjeistuksessa, mallin koordi- vioitu onnettomuuspaikka on esitetty rastilla. naatistossa sekä karttojen ja tuulitietojen saatavuudessa. Parannusehdotuksia saatiin näihin kaikkiin eri osa-alueisiin, ja oleviin esineisiin tai pohjan muotoihin. nämä voidaan ottaa huomioon mallin ja Mallilla voidaan kuitenkin antaa arvio yhteistoiminnan jatkokehityksessä. todennäköisestä kulkeutumissuunnasta, Mallia käytettiin apuna joulukuus- jolloin mahdollisesti laaja etsintäsektori sa 2000 veden varaan joutuneen veneili- kapenee helpommin hallittavaksi. jän etsintään Lapinlahden edustalla Hel- singissä. Hukkunutta etsittiin useita viikkoja tuloksetta lähinnä hukkumispaikasta 3.2.3 Operatiivinen toiminta ja itään, koska tuulen mukana kulkeutunut mallikehitys jatkossa vene löytyi tästä suunnasta. Mallia hyö- dynnettiin etsinnöissä vasta viikkoja ta- Operatiivista HESPO-mallia kehitetään pahtuman jälkeen. Mallilla laskettiin jatkossa käytettäväksi öljyntorjunta- ja pohjan virtauksia ja mahdollisesti vajon- pelastustoiminnassa. Malliin rakenne- neen hukkuneen kulkeutumista. Kuvas- taan operatiiviseen toimintaan suunnitel- sa 16 on esitetty virtaustilanne 6,5 m:n tu käyttöliittymä ja käyttökoulutusta tul- syvyydellä 2,5 tuntia onnettomuuden jäl- laan järjestämään. Operatiiviseen toimin- keen. Pohjan lähelle on muodostunut taan sopivan graafisen käyttöliittymän tuulen suuntaan nähden lähes päinvas- suunnittelu ja toteutus on välttämätön- tainen voimakas paluuvirtaus. Arvioitu tä, jotta mallia voidaan käyttää onnetto- hukkumispaikka on esitetty rastilla. Pu- muustilanteessa nopeasti ja tarkoituk- naiset pisteet ovat hukkuneen mahdolli- senmukaisesti. nen kulkeutumisreitti. Mallin yhteiskäytön eri viranomais- Mallilaskelmat auttoivat osaltaan ten välillä tulisi olla sujuvaa. Mallille läh- etsintöjen uudelleenkäynnistämisessä ja tötietoina syötettävän tuuliennusteen tai suuntaamisessa. Hukkunut löytyi pian tuulihavaintojen nopea saaminen on kes- tämän jälkeen lähirannasta, jonne hän oli keistä. Myös mallin käyttötaidon ylläpi- päässyt uimaan, mutta pyörtynyt mata- to, palautteen antaminen mallin kehittä- laan rantaveteen. Laskentaesimerkki jille ja palautteen hyödyntäminen edel- osoittaa, että mallilla ei välttämättä voi- lyttää yhteistyötä. Meripelastusharjoitus- da laskea tarkasti tapahtumien kulkua. ten yhteydessä testataan mallin toimi- Vaikka hukkunut veneilijä olisi kulkeu- vuutta, minkä lisäksi järjestetään ajeleh- tunut pohjavirtausten mukana, on mah- timiskokeita, joiden perusteella arvioi-

dotonta ennustaa tarttumista pohjalla daan ja parannetaan mallin ennustetark- ○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○ 28 ○○○○○○○○○○○ Suomen ympäristö 559 kuutta. Viranomaisten kanssa pyritään känsalmesta. Toinen kuva (2.8.1999) edus- kehittämään yhtenäinen, joustava ja ole- taa kuivaa loppukesän tilannetta, jossa vir- massa oleviin tietojärjestelmiin integroi- taama ja kiintoainekuorma ovat alhaisim- tu raportointikäytäntö, jolla turvataan millaan ja Vantaanjoen vaikutus ei ole juu- keskeisen onnettomuustiedon dokumen- rikaan havaittavissa. Silmämääräisen tar- tointi ja sujuva tiedonkulku. Helsingin kastelun perusteella HESPO-malli kuva- edustalle perustetaan automaattinen vir- si jokivesien hetkellistä kulkeutumistilan- tausmittausasema, jolla saadaan jatkuvaa netta varsin hyvin. Tarkastelualueen län- tietoa merialueen virtauksista. Havainto- sireunalla kuvien vastaavuus on hyvä. Itä- jen kerääminen mahdollistaa mallin va- reunalla malli näyttää ainakin hetkellisesti lidointityön jatkamisen. yliarvioivan jokivesien määrää. HESPO-ekosysteemimallin toimintaa testattiin vertaamalla laskentatuloksia 3.3 Vedenlaatu ja rihma- vuosina 1999 ja 2000 tehtyihin ravinnepitoisuuksien, klorofyllin ja rihmalevien leväbiomassa mittauksiin sekä biomassamäärityksiin. Kuvassa 18 on esitetty pintakerroksen (ra- HESPO-mallin laskemaa Vantaanjoesta vinteet, sinilevät ja muu kasviplankton 0- tulevan kiintoainekuorman kulkeutumis- 1 m, rihmalevät 2 m) vertailutulokset. ta verrattiin semikvantitatiivisesti kahteen Mallin laskemat ravinnepitoisuudet vas- laskentavuosilta saatavissa olevaan ilma- tasivat melko hyvin mittauksia molempi- kuvaan (Kuva 17). Kuvat ovat Helsingin na vuosina. Mallin ravinnepitoisuudet kaupungin kiinteistöviraston tilauksesta pysyivät ennen kevätkukinnan alkamista otettuja pankromaattisia mustavalkoku- mittaustulosten mukaisella tasolla kaikil- via. Ensimmäinen kuva (28.6.1998) edus- la kolmella havaintopisteellä, mikä kertoo taa runsassateista kesätilannetta, jossa Van- mallin kyvystä kuvata vesimassojen kul- taanjoen vettä kulkeutuu Kruunuvuoren- keutumista ja ravinnepitoisuuksien laime- selälle ja pienissä määrin myös ulos Sär- nemista tutkimusalueen mittakaavassa.

Kuva 17. Vantaanjoen veden kulkeutumista havainnollistavat ilmakuvat ja niitä vastaavat HESPO-mallin laskemat hetkelliset

Vanataanjoen kiintoainekuorman leviämistilanteet. ○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○ Suomen ympäristö 559 ○○○○○○○○○○○○○○○○ 29 Kuva 18. HESPO-ekosysteemimallin vuosille 1999 ja 2000 laskemat ravinnepitoisuudet sekä planktonlevien ja Pilayella littoralis-rihmalevän biomassat verrattuna mittauksiin. Planktonlevi- en ja sinilevien biomassamääritykset on tehnyt Helsingin kaupungin ympäristökeskus. Kruunu- vuorenselältä biomassamäärityksiä oli vain vuodelta 1999. Kruunuvuorenselän vuoden 2000 planktonlevien ja sinilevien mallituloksia on verrattu a-klorofyllistä laskettuun biomassaan, jo-

hon sisältyvät sekä sinilevät että muut planktonlevät. ○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○ 30 ○○○○○○○○○○○ Suomen ympäristö 559 Kasviplanktonin kevätkukinnan tekuormittajan Katajaluodon meriviemä- ajoitus onnistui hyvin vuonna 1999. Vuon- rin läheisellä mittauspisteellä, lukuun na 2000 kevätkukinta oli mallissa huipus- ottamatta tilapäisiä ravinnepiikkejä. Ka- saan noin kaksi viikkoa mittauksissa ha- tajaluodon mittauspisteelle tuli mallin vaittujen korkeimpien arvojen jälkeen. mukaan hetkittäin kohonneita määriä Keväällä kasvavan Pilayella littoralis -rih- ravinnekuormitusta. Näitä hetkellisiä ra- malevän biomassasta oli käytettävissä ha- vinnetason nousuja ei kuitenkaan havait- vaintotietoja vuodelta 2000 kahdelta ko- tu muutaman viikon välein tehdyissä vapohjaiselta havaintopisteeltä Espoon mittauksissa. Mallissa Viikinmäen puh- Suvisaaristosta ja Helsingin Vuosaaresta. distamolta tuleva ravinnekuormitus on Kummallakin pisteellä mallin laskemien laitettu pintaan. Kuorman sijoittamises- biomassahuippujen ajoitus ja suuruus- ta keskusteltiin Helsingin kaupungin luokka olivat mittausten mukaisia. Mallin ympäristökeskuksen kanssa. Heidän laskemat typpeä sitovien sinilevien bio- mukaansa ravinnekuorma tulee käytän- massat olivat kasviplanktonnäytteistä las- nössä kokonaan pintaan, koska jätevesi on kettuja biomassoja suurempia kumpana- merivettä lämpimämpää ja suolatonta, ja kin vuonna. Typpeä sitovien sinilevien rih- siten kevyempää. Mallin aikasarjapisteen mat ovat usein kelluvia, mikä hankaloit- (mittauspisteen) ja kuormituspisteen vä- taa laskentaa. Levänäytettä laskeutettaes- linen ero on neljä hilakoppia eli 1 km. sa ei käytetty pintajännitystä alentavia ai- Vähäisestä etäisyydestä johtuen mallissa neita, minkä takia kelluvat sinilevärihmat kuormaa tulee ajoittain aikasarjapisteel- saattoivat jäädä laskennan ulkopuolelle ja le, ennen kuin kuorma kerkiää sekoittua biomassa-arvio liian pieneksi. tai laimentua suurempaan vesimassaan. Kevätkukinnan jälkeen ulompi me- On mahdollista, että todellisuudessa jä- rialue jäi mallissa selvästi typpirajoittei- teveden sekoittumista meriveteen tapah- seksi. Vanhankaupunginlahdella ja Kruu- tuu jo syvemmällä, ja mallin kuorma tu- nuvuorenselällä kasviplanktonin kasvu oli lisi sijoittaa paksumpaan vesikerrokseen. mallissa selvästi Vantaanjoesta tulevan Tätä kokeiltiin mallinnustyön aikana, ja savisamennuksen rajoittamaa. Uusi HES- jäteveden aiheuttamia piikkejä ei tällöin PO-mallia varten kehitetty kiintoaineen Katajaluodon mittauspisteelle syntynyt. levien kasvua hidastavaa vaikutusta ku- Lopullisessa työssä päätettiin kuitenkin vaava funktio toimi hyvin, sillä Vanhan- noudattaa Helsingin kaupungin ympä- kaupunginlahdella mallin laskema kevät- ristökeskuksen suositusta. kukinta jäi huomattavasti pienemmäksi Kesällä ulkomerelle jäi mallissa liu- kuin ulommilla pisteillä, mikä sopi hyvin koista fosforia 5-10 g/l, kun se mittaus- mittaustuloksiin. Kruunuvuorenselän ten mukaan kului useimmissa tapauksis- mittauspisteessä (Vasikkasaari) mallin las- sa lähelle määritysrajaa 2 g/l. Alkuarvo- kema planktonlevien kevätkukinnan bio- jen lisäksi pintaveden liukoisen fosforin massa ylitti kuitenkin mittaustulokset pitoisuuteen voi vaikuttaa myös piilevi- molempina vuosina. On mahdollista että en kyky varastoida fosforia yli oman tar- suhteellisen lyhyt kevätkukinnan huippu peensa (Istvanovics ym. 1994, Glibert ym. ei ole osunut harvakseltaan tehtyihin mit- 1995). Malli ei nykyisellään pysty kuvaa- tauksiin, tai kiintoainekuorman kasvua maan piilevien ja muiden kevätkukintaan rajoittava vaikutus ei ole mallissa riittävän osallistuvien leväryhmien osuuksia bio- voimakas enää Kruunuvuorenselällä. massasta, mikä voi ajoittain johtaa kesän Kesäkaudella typen pitoisuudet py- fosforitasojen ja typpeä sitovien sinilevi- syivät mallissa oikeassa suuruusluokas- en määrän lievään yliarviointiin.

sa ulomman merialueen suurimman pis- ○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○ Suomen ympäristö 559 ○○○○○○○○○○○○○○○○ 31 3.4 Vesiensuojeluskenaari- kee mallitulosten perusteella 5–15 % ja kasviplanktonin kokonaisbiomassa 5-10 % oiden vaikutukset (Kuva 19). Rihmaleväbiomassan muutos rajoittuu suppeammalle alueelle ja on voi- makkaampi, koska rihmalevät eivät itse 3.4.1 Pääkaupunkiseudun kulje virtauksen mukana. Vesimassan mu- yhdyskuntajätevesien kana kulkevien planktonlevien vähenemi- tehokkaampi käsittely nen ulottuu myös sisemmälle saaristoon Suvisaaristo-Miessaari-Melkki-Suomen- Skenaarion ekologiset vaikutukset ovat voi- linna-linjalle. makkaimmillaan ulkosaaristossa ja sen vai- Skenaariossa vähentyvä ravinnekuor- kutusalue sijaitsee kuormituspisteiden itä- mitus on mallissa sijoitettu pintakerrok- puolella Rysäkari-Katajaluoto-Isosaari-lin- seen, jonka virtaukset ovat voimakkaasti jalla. Tällä alueella rihmaleväbiomassa las- tuuliriippuvaisia. Tästä syystä vaikutusten

Kuva 19. Pääkaupunkiseudun jätevesien käsittelyn tehostamisen vaikutukset merialueen keskimääräisiin leväbio- massoihin yhden kasvukauden (1.1.-30.9.) jälkeen. Mallilaskennassa vuoden 1999 Viikinmäen jätevedenpuhdista- mon biologisesti käyttökelpoista ravinnekuormaa vähennettiin keskimäärin 47 % ja Suomenojan jätevedenpuhdista-

mon biologisesti käyttökelpoista ravinnekuormaa noin 10 %. ○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○ 32 ○○○○○○○○○○○ Suomen ympäristö 559 pääasiallinen kulkeutumissuunta on ske- villisuudelle ennenkaikkea rehevöityneil- naarioissa vallitsevien länsituulien mukai- lä sisälahdilla, joihin joen tuoman kiintoai- nen eli kohti itää. Suomenlahden pohjois- neen samentava vaikutus kohdistuu. Ravin- rannalle tyypillinen länttä kohti suuntau- teet eivät rajoita tuotantoa tällaisessa sys- tuva perusvirtaus alkaa vaikuttaa voimak- teemissä. Mitä ulommas merelle päin siir- kaasti vasta noin 10 m syvyydessä (Andre- rytään, sitä tärkeämmäksi nousee ravintei- jev ym. 2000). den merkitys, kun taas kiintoaineen aihe- Ravinnekuorman sijoittamisella mal- uttama valorajoitus heikkenee (Cabecadas lissa eri syvyydelle tai paksumpaan vesiker- ym 1999). Kiintoainekuorman ja valorajoi- rokseen on suuri vaikutus tuloksiin. Jäte- tuksen vähentyessä lahtialueella levien kas- vedenpuhdistamojen kuormien sijoittami- vu saattaa lyhyellä aikavälillä jopa lisään- nen vain ylimpään vesikerrokseen mallis- tyä. Tulosta tarkasteltaessa tulee kuitenkin sa on siis tulosten kannalta perustavaa laa- ottaa huomioon myös mallilaskennassa tua oleva ratkaisu. Lämpimän ja suolatto- käytetyn vuoden merkitys jokikuormaan. man jäteveden sekoittuminen meriveteen Vuosi 1999 oli vähävetisempi kuin vuosi ei ole yksiselitteinen kysymys. Voidaan aja- 2000 ja Vantaanjoen kuorma oli lähes 400 tella jäteveden kevyempänä nousevan ko- tonnia pienempi. Tällöin jokikuorman konaan pintaan. Todennäköisesti jonkinas- osuus kokonaiskuormasta ja myös vaiku- teista sekoittumista tapahtuu kuitenkin jo tukset jäävät vähäisemmiksi kuin runsaan syvemmissä vesikerroksissa. Esim. Viikin- sadannan vuosina. mäen jätevesiviemäri on sijoitettu syvälle, Ekosysteemimalli kuvaa ravintei- 21-22 m syvyyteen. den sedimentoitumisen pohjakerrokseen sekä ravinteiden vapautumisen detrituk- sen hajotessa. Siinä ei kuitenkaan pysty- 3.4.2 Kuormituksen tä huomioimaan pohjan happitilanteen vähentyminen Vantaanjoen muutosten aiheuttamia vaikutuksia sedi- valuma-alueella mentistä takaisin vesipatsaaseen suunta- utuvaan ravinnevuohon. Tästä syystä Vantaanjoen ravinnekuormituksen vähen- malli ei nykyisellään pysty kuvaamaan tyminen 20 %:lla ei näy kasviplanktonin sisäisen kuormituksen aiheuttamia voi- kokonaisbiomassassa kun havaittavan bio- makkaita fosforipitoisuuden nousuja. massan muutoksen kynnysarvoksi on ase- tettu 2 % (Kuva 20). Rihmalevien määrässä on havaittavissa 2-5 % vähenemistä Helsin- 3.4.3 Muutokset typpeä gin sisäsaaristossa, missä rihmaleväbiomas- sitovien sinilevien määrässä sat ovat muutenkin veden sameuden ja kovien kasvualustojen puutteen takia vä- Skenaarioiden sinilevävaikutuksia ei ole häisiä. esitetty erikseen, vaan ne on sisällytetty kas- Ekologisen vasteen vähäisyys johtuu viplanktonin kokonaisbiomassaan. Analy- jokiveden suuresta kiintoainepitoisuudes- soidut vesiensuojeluskenaariot vähentävät ta. Kiintoaineen aiheuttama varjostus pitää typpeä ja fosforia yhtä suuria prosenttimää- levien kasvun varsinkin keväisin laajoilla riä nykykuormituksesta. Koska sekä Van- alueilla valorajoitteisena. Tällaisessa tilan- taanjoen että pääkaupunkiseudun yhdys- teessa jokivedet ehtivät levitä laajalle me- kuntajätevesien kuormitus on nykyisellään rialueelle ennen kuin niiden sisältämät ra- Redfield-suhteeseen verrattuna selvästi vinnevarat kulutetaan loppuun. Laajalle typpivoittoista, myös prosenttimääräisistä alueelle levitessään kuormitusvähennysten kuormitusvähennyksistä muodostuu typ- vaikutukset heikkenevät ja jäävät skenaa- pivoittoisia. Tästä syystä millään analysoi- riokuvissa käytetyn 2 % kynnysarvon ala- dulla skenaariolla ei ole lyhyellä tarkaste- puolelle. Kiintoainekuormaa ei vähennet- lujaksolla typpeä sitovia sinileviä vähentä- ty tässä skenaariossa lainkaan. Maatalou- viä vaikutuksia. Pitkällä tähtäimellä typpi- dessa tapahtuvat toimenpiteet vaikuttavat vähennykset saattavat vähentää myös typ- kuitenkin todennäköisesti myös kiintoaine- peä sitovien sinilevien määrää pohjan hap-

kuormaan. Valorajoitus on tärkeä tekijä kas- ○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○ Suomen ympäristö 559 ○○○○○○○○○○○○○○○○ 33 pitilanteessa ja sisäisessä kuormituksessa kustannustehokkuuden arviointiin vesien- tapahtuvien muutosten kautta (Kiirikki suojelutoimenpiteiden ja -ohjelmien val- ym. 2001b). mistelutyössä. Samoin ruoppausten tai hie- kanoton aiheuttaman kiintoainesamen- nuksen vaikutusalueen arviointi on HES- 3.4.4 Ekosysteemimallin PO-mallin resoluutiolla avomerialueilla jatkokäyttö mahdollista. Oleellinen näkökohta pääkaupunki- HESPO-ekosysteemimallia voidaan tule- seudun merialueen tilaa arvioitaessa on vaisuudessa hyödyntää monissa eri käyt- kaukokulkeutumisen merkitys. Erityisesti tötarkoituksissa. Paikallismalleilla voi- Pietarissa tehtävien toimenpiteiden vaiku- daan tehdä lyhyen tähtäimen ennusteita tukset pääkaupunkiseudun merialuee- sinilevälauttojen kulkeutumisesta ranni- seen voivat olla merkittaviä. Kotkan mal- kon läheisyydessä. Mallia voidaan käyttää

Kuva 20. Vantaanjoen valuma-alueelta tulevan kuormituksen vähentymisen vaikutukset pääkaupunkiseudun edustan merialueen keskimääräisiin leväbiomassoihin yhden kasvukauden (1.1.-30.9.) jälkeen. Mallilaskennassa vuoden 1999 Vantaanjoen biologisesti käyttökelpoista ravinnekuormaa vähennettiin 20 %. Kiintoainekuormaa ei tässä

skenaariossa vähennetty lainkaan. ○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○ 34 ○○○○○○○○○○○ Suomen ympäristö 559 lityössä Pietarin toimenpiteiden arvioi- suuksia. Laajoista, koko Itämeren käsit- tiin vähentävän sinilevien määrää ulko- tävistä useamman vuoden mallilasken- saaristossa ja avomerellä jopa useita kym- noista voidaan ottaa ravinteiden pitoi- meniä prosentteja (Kiirikki ym. 2001a). suuskenttiä paikallismallin alkuarvoiksi. Suomen ympäristökeskuksessa on käyn- Näin voidaan yhdistää pitkäaikainen ske- nissä koko Itämeren kattavan ekosystee- naariotarkastelu paikallismallin alueelli- mimallin kehitystyö, joka avaa myos pai- seen tarkkuuteen. kallismallien käytölle uusia mahdolli-

KirjallisuusKirjallisuusKirjallisuus

Andrejev, O., Myrberg, K., Andrejev, A. & Perttilä, M. (2000). Hydrodynamic and chemical modelling of the Baltic Sea–A three-dimensional approach. Meri 42:1-41. Cabecadas, G., Nogueira, M. & Brogueira, MJ. (1999). Nutrient dynamics and productivity in three European estuaries. Marine Pollution Bulletin 38:1092-1096. Ekholm, P. (1998). Algal-available phosphorus originating from agriculture and municipalities. Monographs of the boreal Environment Research 11:1-60. Väitöskirja.Frisk, T. (1982). An oxygen model for Lake Haukivesi. Hydrobiologia 86:133-139. Glibert, P.M., Conley, D.J., Fischer, T.R., Harding, L.W.Jr. & Malone, T.C. (1995). Dynamics of the 1990 winter/spring bloom in Chesapeake Bay. Marine Ecology Progress Series 122:27-43. Hari, J. & Soini, K. (1975). Meriveden virtaus Espoon, Helsingin ja Sipoon edustalla. Vesiensuo- jelulaboratorion tiedonantoja 7. Inkala, A. & Myrberg, K. (2001). Comparison of hydrodynamical models of the Gulf of Finland in 1995 – a case study. Environmental Modelling & Software (painossa). Istvanovics, V., Padisak, J., Petterson, K. & Pierson, D.C. (1994). Growth and phosphorus uptake of summer phytoplankton in Lake Erken (Sweden). Journal of Plankton Research 16:1167-1196. Kauppila, P. & Bäck, S. (2001). State of the Finnish coastal waters in the 1990s. Suomen Ympä- ristö 472:1-134. Kiirikki, M. (1996). Experimental evidence that Fucus vesiculosus (Phaeophyta) controls filamentous algae by means of the whiplash effect. European Journal of Phycology 31: 61- 66. Kiirikki, M., Haapamäki, J., Koponen, J., Ruuskanen, A. & Sarkkula, J. (1998). Linking the growth of filamentous algae to the 3D-Ecohydrodynamic model of the Gulf of Finland. Environmental Modelling & Software 13: 503-510. Kiirikki, M., Westerholm, L. & Sarkkula, J. (2000). Suomenlahden levähaittojen vähentämis- mahdollisuudet. Suomen Ympäristö 416:1-36. Kiirikki, M., Välipakka, P., Korpinen, P., Koponen, J. & Sarkkula, J. (2001a.) 3D-ecosystem models as decision support tools in the Gulf of Finland–Kotka archipelago as an example. CEEDES (painossa). Kiirikki, M., Inkala, A., Kuosa, H., Pitkänen, H., Kuusisto, M. & Sarkkula, J. (2001b). Evaluating the effects of nutrient load reductions on the biomass of toxic nitrogen-fixing cyanobacteria in the gulf of Finland, Baltic Sea. Boreal Environment Research 6:1-16. Kononen, K. & Leppänen, J-M. (1997). Patchiness, scales and controlling mechanisms of cy- anobacterial blooms in the Baltic Sea: Application of a multiscale research strategy. Teoksessa: Kahru M, Brown CW (toim.) Monitoring algal blooms: New techniques for detecting large-scale environmental change. Landes Bioscience. Austin. Koponen, J., Alasaarela, E., Lehtinen, K., Sarkkula, J., Simbierowicz, P., Vepsä, H. & Virtanen, M. (1992a). Modelling the Dynamics of a Large Sea Area, Bothnian Bay Research Project 1988–90. Publications of the Water and Environment Research Institute 7:1-91. National

Board of Waters and the Environment, Helsinki, Finland. ○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○ Suomen ympäristö 559 ○○○○○○○○○○○○○○○○ 35 Koponen, J., Salo, S. & Hirvi, J.P. (1992b). Description of a computer program for chemical spill simulation. Vesi- ja ympäristöhallituksen monistesarja 440:1-21. Kramer, T., Jozsa, J. & Sarkkula, J. (2000). Modelling of a coastal wetland for restoration planning. Proc. Symposium on restoration of lakes and wetlands. Bangalore, India. Novem- ber 27-29, 2000. Kuusisto, M. (1997). Suomenlahden kasviplankton- ja ravinnedynamiikka-vedenlaatumalliso- vellus. Diplomityö. Teknillinen korkeakoulu. Palva R., Rankinen K., Granlund K., Grönroos J., Nikander, A. & Rekolainen, S. (2001). Maata- louden ympäristötuen toimenpiteiden toteutuminen ja vaikutukset vesistökuormituk- seen vuosina 1995–1999. Suomen ympäristö 478:1-92. Peltoniemi, H. & Koponen J. (2001). Selvitys meritäyttöjen vaikutuksesta virtausolosuhteisiin, Koivusaaren, Hanasaaren, Lemislahden alue. Suomen Ympäristövaikutusten Arviointi- keskus Oy:n raportti 47s. Pesonen, L., Norha, T., Rinne, I., Viitasalo, I. & Viljamaa, H. (1995). Helsingin ja Espoon meri- alueiden velvoitetarkkailu vuosina 1987–1994. Helsingin kaupungin ympäristökeskuk- sen monisteita 1:1-143. Pitkänen, H., Lehtoranta J. & Räike, A. (2001). Internal nutrient fluxes counteract decreases in external load: The case of the estuarial Eastern Gulf of Finland, Baltic Sea. Ambio-Stock- holm 30:195-201. Redfield, A.C. (1958). The biological control of chemical factors in the environment. Am. Sci. 46: 205-221. Salo, S. (2001). Experimental xylene and cumene spill at sea. Suomen ympäristökeskuksen mo- niste 216:1-15. Tyrrell, T. (1999). The relative influence of nitrogen and phosphorus on the oceanic primary production. Nature 400: 525-531. Vepsä, H., Koponen, J. & Salo, S. (1993). Finnish operational model system for oil- and chemical

accident and sea rescue. Aqua Fennica 23:251-258. ○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○ 36 ○○○○○○○○○○○ Suomen ympäristö 559 LIITE 1. Vesistön virtauksia, aineen kulkeutumista ja sekoittumista kuvaavat muuttujat, yhtälöt ja kertoimet.

Virtausmallin muuttujat symboli määritelmä yksikkö u nopeusvektori m s-1 horisontaaliset nopeuskomponentit m s-1 aika s paine Pa keskimääräinen veden tiheys g m-3 f Corioliskerroin 1 s-1 -2 maan vetovoiman kiihtyvyys m s horisontaalinen ja vertikaalinen liikemäärän pyörrediffuusiokerroin m2 s-1 ç pinnankorkeus m

pa ilmanpaine Pa

pi nesteen sisäinen paine (barokliininen paine (tiheyden vaihtelut)) Pa

pe nesteen ulkoinen paine (barotrooppinen paine) Pa pitoisuus g m-3 2 -1 , Dv horisontaalinen ja vertikaalinen pyörrediffuusiokerroin m s

Virtausmallin yhtälöt: + + Horisontaalinen nopeudenmuutos ajan suhteen: 0p p ∂u 1 ∂p ∂  ∂u  ∂  ∂u  ∂  ∂u  fv +−= ν  + ν  + ν  u ∇⋅− u (1) ∂ ρ ∂ ∂ ∂ ∂  horhor ∂  ∂ ver ∂ t 0 xx   yx   zy  z 

∂v 1 ∂p ∂  ∂v  ∂  ∂v  ∂  ∂v  fu +−−= ν  + ν  + ν  u ∇⋅− v (2) ∂ ρ ∂ ∂ ∂ ∂  horhor ∂  ∂ ver ∂ t 0 xy   yx   zy  z 

Paine: ∂p (3) =−gρ ∂z

Massan säilyminen (4) ∇ ⋅ u = 0

Paine p voidaan jakaa ulkoiseen ja sisäiseen osaan: (5) (6)

η = ∆ρ (7) pgi ∫ dz

z ○○○○○○○○○ Suomen ympäristö 559 ○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○ 37 Aineen kulkeutuminen ja sekoittuminen: ∂ ∂ 2 ∂ 2 ∂ 2 c c c c ++++∇⋅−= (8) u Dc D Dvhh L ∂t ∂x 2 ∂y 2 ∂z 2

Virtausmallin kertoimet:

vakio selite (yksikkö) arvo

ν 2 -1 ver liikemäärän vertikaalinen pyörrediffuusiokerroin (cm s )5 – 15 (osassa ajoista k- tai k-å-turbulenssimalli)

ν 2 -1 hor liikemäärän horisontaalinen pyörrediffuusiokerroin (m s ) 1 - 10 -1 Cd tuulen neliöllinen kitkakerroin (1 m ) 0.0012 (osassa ajoista rantojen suojausvaikutus)

-1 Cb2 pohjan neliöllinen kitkakerroin (1 m ) 0.0025 -1

Cbl pohjan lineaarinen kitkakerroin (1 s ) 0.03 ○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○ 38 ○○○○○○○○○○○○○○○○○○ Suomen ympäristö 559 LIITE 2 Ekosysteemimallin muuttujat, vakiot sekä malliyhtälöt, nopeudet ja rajoittavat tekijät

Ekosysteemimallin muuttujat

Planktonlevät: symboli määritelmä yksikkö -2 c C Typensitojien märkäpaino g m -2 c A Muiden planktonlevien märkäpaino g m

c DIN DIN pitoisuus mg m-3

c DIP DIP pitoisuus mg m-3

c Ndet Detritus typpi mg m-3

c Pdet Detritus fosfori mg m-3 -3 c SS Kiintoainepitoisuus g m L DIN DIN kuorma mg m-3 d-1 -3 -1 L DIP DIP kuorma mg m d I Kokonaissäteily MJ m-2d-1 T Lämpötila o C Ice Jääpeite (0,1) - t Aika d h Hilakopin syvyys m

Rihmalevät: symboli määritelmä yksikkö -2 c F Rihmalevien kuivapaino g m dice Jääpeite cm SECC Secchi-syvyys cm hh Kasvusyvyys cm Ib Kokonaissäteily kasvusyvyydessä MJ m-2d-1

Ekosysteemimallin vakiot

Planktonlevät: symboli määritelmä viite arvo yksikkö

N inC Typensitojien sisältämä typpi Redfield 1958 0.0193 -

PinC Typensitojien sisältämä fosfori Redfield 1958 0.00268 -

N inA Muiden planktonlevien sisältämä typpi Redfield 1958 0.0193 -

PinA Muiden planktonlevien sisältämä fosfori Redfield 1958 0.00268 - µ -1 C max Typensitojien kasvunopeuden yläraja kalibrointi 0.5 d Muiden planktonlevien kasvunopeuden yläraja Olli ym. 1996 0.7 d-1

Typensitojien kokonaishävikin yläraja kalibrointi 0.1 d-1 ○○○○○○○○○ Suomen ympäristö 559 ○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○ 39 R Amax Muiden planktonlevien kokonaishävikin yläraja kalibrointi 0.15 d-1

K NC DIN:n puolikyllästysvakio typensitojille Tyrrell 1999 0 mg m-3 -3 K PC DIP:n puolikyllästysvakio typensitojille Kononen & 2 mg m Leppänen 1997 -3 K NA DIN:n puolikyllästysvakio muille planktonleville kalibrointi 7 mg m

K PA DIP:n puolikyllästysvakio muille planktonleville kalibrointi 1 mg m-3

K IC Säteilyn puolikyllästysvakio typensitojille kalibrointi 20 MJ m-2 d-1

K IA Säteilyn puolikyllästysvakio kalibrointi 15 MJ m-2 d-1 muille planktonleville -2 Cmin Typensitojien märkäpainon alaraja kalibrointi 0.5 g m

-2 Amin Muiden planktonlevien märkäpainon alaraja kalibrointi 0.01 g m

Amax Kokonaismärkäpainon yläraja kalibrointi 300 g m-2 β 0 Detritustypen mineralisaationopeuden yläraja Garber 1984 0.018 d-1 Detritusfosforin mineralisaationopeuden yläraja Garber 1984 0.018 d-1 Detritustypen vajoamisnopeus Heiskanen & 1 m d-1 Tallberg 1999 Detritusfosforin vajoamisnopeus Heiskanen & 1 m d-1 Tallberg 1999 Detritustypen sedimentaationopeus 0-20 m kalibrointi 1.0 m d-1 20-100 m kalibrointi 0.0 m d-1

SPdet Detritusfosforin sedimentaationopeus 0-20 m kalibrointi 1.0 m d-1 20-100 m kalibrointi 0.0 m d-1

Topt Optimilämpötila typensitojien kasvulle Kononen & 25 o C Leppänen 1997 muiden planktonlevien kasvulle kalibrointi 15 o C kokonaishävikeille kalibrointi 25 o C detritustypen mineralisaatiolle Garber 1984 18 o C detritusfosforin mineralisaatiolle Garber 1984 18 o C

a T Lämpötilarajoitusfunktion vakio typensitojien kasvulle kalibrointi 1.14 - muiden planktonlevien kasvulle kalibrointi 1.001 - kokonaishävikeille kalibrointi 1.05 - detritustypen mineralisaatiolle Garber 1984 1.3 - detritusfosforin mineralisaatiolle Garber 1984 1.3 -

I red Säteilyn väheneminen jään vaikutuksesta kalibrointi 0.5 -

hmix Sekoittuvan kerroksen paksuus kalibrointi 20 m ○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○ 40 ○○○○○○○○○○○○○○○○○○ Suomen ympäristö 559 Rihmalevät: symboli määritelmä viite arvo yksikkö

µ F max Rihmalevien kasvunopeuden yläraja Reed & Barron 1983 0.6 d-1 Rihmalevien kokonaishävikin yläraja kalibrointi 0.068 d-1

K NF DIN:n puolikyllästysvakio rihmaleville kalibrointi 37 mg m-3 -3 K PF DIP:n puolikyllästysvakio rihmaleville kalibrointi 17 mg m -2 -1 KIF Säteilyn puolikyllästysvakio rihmaleville Wallentinus 1978 2.9 MJ m d -2 Fmin Rihmalevien kuivapainon alaraja mittaukset 0.5 g m

-2 Fmax Rihmalevien kuivapainon yläraja Wallentinus 1979 150 g m Optimilämpötila rihmalevien kasvulle kalibrointi 15 o C rihmalevien kokonaishävikille kalibrointi 25 o C

Lämpötilarajoitusfunktion vakio rihmalevien kasvulle kalibrointi 1.001 - rihmalevien kokonaishävikille kalibrointi 1.2 - α Yksikötön valovakio Canale & Auer 1982 1.35

Kice Valon määrän puolittava jään paksuus kalibrointi 2 cm sec1 Secchi-syvyyden yläraja mittaukset 500 cm sec2 Secchin riippuvuus kasviplanktonin biomassasta mittaukset -10 cm g-1 m 2 sec3 Secchin riippuvuus pintaveden kiintoaine- pitoisuudesta mittaukset -50 cm g-1 m 3 -3 CSSmin kiintoainerajoituksen alaraja mittaukset 1 g m -3

CSSmax kiintoainerajoituksen yläraja mittaukset 10 g m ○○○○○○○○○ Suomen ympäristö 559 ○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○ 41 Malliyhtälöt, nopeudet ja rajoittavat tekijät.

Yhtälöt ∂ cC (9) =−()µ Rc ∂t cCC ∂ cA (10) =−()µΑcRc ∂ t AAA ∂ cF (11) =−()µ Rc ∂t FFF ∂ cDIN −− 11 (12) β µ µ +−−= LhcNhcNc ∂t NDet A inA A mix C inC C mix DIN ∂ cDIP −− 11 (13) γ µ µ +−−= LhcPhcPc ∂t det AP inA A mix C inC C mix DIP

(14) ∂c N det 11 β ν 1 −−−+= hcShcchcRNhcRN −−−− 1 ∂t inA AA mix inC CC mix det Ndet det Ndet NNN det

(15) ∂c P det 11 γ ν 1 −−−+= hcShcchcRPhcRP −−−− 1 ∂t inA AA mix inC CC mix det Pdet det Pdet PPP det

Nopeudet

µ = µ (16) C Cmax CN DIPDIN CI AC CA cfccfTfIfccf SSSS )(),()()(),( µ = µ (17) A Amax AN DIPDIN ACAI CA cfccfTfIfccf SSSS )(),()()(),( µµ= (18) FFNDINDIPFIFCFFmax fc(,)()()() c fIfTfc −= (19) Cmax min )()(R cCcTfR CCC −= (20) Amax min )()(R cAcTfR AAA =− (21) RfTcFcFFFR()()Fmax min β = β (22) 0 Tf )( γ = γ

(23) 0 Tf )( ○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○ 42 ○○○○○○○○○○○ Suomen ympäristö 559 Rajoittavat tekijät

cDIN cDIP (24) ccf ),( = CN DIPDIN ++ DIN Kc NC DIP Kc PC

cDIN cDIP (25) ccf ),( = AN DIPDIN ++ DIN Kc NA DIP Kc PA

ccDIN DIP (26) fc(,) c = FN DIN DIP ++ cKcKDIN NF DIP PF  T  (27) Tf )( = exp ∫ lnθdT  ,missä θ −+= )1( TTaa (Frisk 1982)   TT opt Topt  − I IceI red )1( (28) If )( = CI +− I IceI red )1( K IC − I IceIred )1( (29) If )( = AI +− I IceIred )1( K IA

Ib (30) fI()= FI + IKbIF + −= cc CA (31) AC ccf CA 1),( Amax =−cF (32) fcFC()1 F Fmax

<= 1 CC SSminSS  (33) = << CCC SSmaxSSSSmin cf SSSS )( (C C- )/( SSminSSmaxSSSSmax )C-C  0 >= CC SSmaxSS

Secchi-syvyys (34)

SECC=sec1+sec2(cA+cC )+sec3cKIIN

Valon määrä rihmalevien kasvusyvyydessä

(35)

−α d IIe=−hh/ SECC (1ice ) b + dKice ice Biomassa-klorofylli-regressio (n=148, R2=0.84):

(36)

Biomassa [g m-3] = 0.15 * a-klorofylli [mg m-3]1,2 (Kuusisto 1997) ○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○ Suomen ympäristö 559 ○○○○○○○○○○○○○○○○ 43 Kuvailulehti Julkaisija Julkaisuaika Suomen ympäristökeskus (SYKE) Huhtikuu 2002 Tekijä(t) Päivi Korpinen, Jorma Koponen, Mikko Kiirikki, Juha Sarkkula, Hannu Peltoniemi, Paula Väänänen ja Maria Gästgifvars Julkaisun nimi HESPO vesistömalli: Ympäristöriskien ja rehevöitymiskehityksen arviointi Helsinki-Espoo- Tallinna merialueella

Julkaisun osat/ muut saman projektin Julkaisu on saatavana myös internetistä tuottamat julkaisut http://www.ymparisto.fi/palvelut/julkaisu/elektro/sy559/sy559.htm Tiivistelmä Portaittaisesti Helsingin ja Espoon edustalle tarkentuvat operatiivinen HESPO-malli ja HESPO- ekosysteemimalli kehitettiin rehevöitymiskehityksen arvioimiseksi, ympäristöriskien hallinnan parantamiseksi ja vesiensuojelun suunnittelun tukemiseksi Helsinki-Espoo-Tallinna merialueella. Portaittaisesti tarkentuva malli mahdollistaa suuren erotuskyvyn hyödyntämisen kohdealueella ilman, että koko merialueen kuvaamisesta jouduttaisiin luopumaan. Mallia voidaan hyödyntää vesiensuojelun suunnittelun ja päätöksenteon apuvälineenä. Operatiivista mallia käytettiin sekä kuvitteellisten onnettomuustilanteiden simuloinnissa että todellisessa kadonneen henkilön etsinnässä. Ekosysteemimallilla tarkasteltiin kahden vesiensuoje- luskenaarion vaikutuksia kasviplanktonin ja rantavyöhykkeen rihmalevien määrään. Sekä kasviplanktonin että rihmalevien biomassa väheni 5-15% ulkosaaristossa purkuputkien läheisyydessä Helsingin ja Espoon yhdyskuntajätevesikuorman vähentämisen seurauksena. Muutokset sisäsaa- ristossa ja ranta-alueilla jäivät vähäisiksi. Vantaanjoen ravinnekuormassa tapahtuvaa vähennystä kuvaavan maatalousskenaarion vaikutukset jäivät suurelta osin 2% havaintorajan alapuolelle.

Asiasanat vesistönkuormitus, väheneminen, vesiensuojelu, vesistömallit, mallit

Julkaisusarjan nimi ja numero Suomen ympäristö 559 Julkaisun teema Ympäristönsuojelu Projektihankkeen nimi ja projektinumero Helsingin, Espoon ja Tallinnan merialueen malli; ympäristöriskien ja rehevöitymiskehityksen arviointi ja hallinta XYB14 Rahoittaja/ toimeksiantaja Euroopan aluekehitysrahasto, Uudenmaan ympäristökeskus, Helsingin kaupunki ja Espoon kaupunki Projektiryhmään Ympäristövaikutusten Arviointikeskus Oy, Uudenmaan ympäristökeskus, Helsingin ja Espoon kaupunki, Uuden- kuuluvat organisaatiot maan Liitto, Helsingin pelastuslaitos, Helsingin ja Vantaanjoen vesiensuojeluyhdistys, Sisäministeriön pelastus- osasto, Rajavartiolaitoksen esikunta, Viron Merentutkimuslaitos, Viron Ympäristöministeriö, Viron Rajavartiolaitos ISSN ISBN 1238-7312 952-11-1148-8 (nid.) 952-11-1149-6 (pdf) Sivuja Kieli 46 Suomi Luottamuksellisuus Hinta Julkinen 8,41 e (50,00 mk) Julkaisun myynti/ jakaja Edita Publishing Oy, PL 800, 00043 EDITA, vaihde 020 450 00. Asiakaspalvelu: puhelin 020 450 05, faksi 020 450 2380. Sähköposti: [email protected] www.edita.fi/netmarket Julkaisun kustantaja Suomen ympäristökeskus (SYKE), PL 140, 00251 Helsinki Painopaikka ja -aika

Tummavuoren Kirjapaino Oy, Vantaa 2002 ○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○ 44 ○○○○○○○○○ Suomen ympäristö 559 Presentationsblad Utgivare Datum Finlands miljöcentral (SYKE) Apri 2002 Författare Päivi Korpinen, Jorma Koponen, Mikko Kiirikki, Juha Sarkkula, Hannu Peltoniemi, Paula Väänänen och Maria Gästgifvars Publikationens titel Vattendragsmodellen HESPO: Approximering av miljöriskerna och eutrofieringsutvecklingen i havsområdet Helsingfors-Esbo-Tallinn (HESPO vesistömalli: Ympäristöriskien ja rehevöitymiskehityksen arviointi Helsinki-Espoo- Tallinna merialueella) Publikationens delar/ andra publikationer Publikationen finns tillgänglig på internet inom samma project http://www.ymparisto.fi/palvelut/julkaisu/elektro/sy559/sy559.htm Sammandrag Den operativa HESPO-modellen och HESPO-ekosystemmodellen, som blir gradvis exaktare ju närmare de appliceras på vattnen utanför Helsingfors och Esbo, utvecklades för att approximera eutrofieringsut-vecklingen, för att förbättra hanteringen av miljöriskerna och för att stöda plane- ringen av vattenskyddet i havsområdet Helsingfors-Esbo-Tallinn. Modellen som blir gradvis exaktare möjliggjör att man kan utnyttja en stor upplösningsförmåga i målområdet utan att be- höv avstå från att beskriva av hela havsområ-det. Modellen kan utnyttjas som hjälpmedel vid planering av vattenskydd och beslutsfattande. Den operativa modellen användes både vid simulering av fiktiva olyckor och vid en reell sök- ning av en försvunnen person. Med ekosystemmodellen undersöktes verkningarna av två vat- tenskyddscenarier på mängderna växtplankton och strandzonens trådalger. Både växtplanktons och trådalgernas biomassa minskade med 5-15 % i den yttre sjärgården i närheten av utsläppsrö- ret som en följd av minskningen av belastningen med Helsingfors och Esbos samhällsavloppsvat- ten. Förändringarna i den inre skärgården och på strandomrpdena var små. Effekterna av minskningen av näringsbelastningen som jordbruksscenariet beskriver, stannade till stor del 2 % under observationsgränsen.

Nyckelord vattendragsbelastning, minskning, eutrofiering, vattenskydd, modeller, vattendragsmodeller

Publikationsserie och nummer Miljö i Finland 559 Publicationens tema Miljövård Projektets namn och nummer

Finansiär/ uppdragsgivare

Organisationer i projektgruppen

ISSN ISBN 1238-7312 952-11-1148-8 (952-11-1149-6 pdf) Sidantal Språk 46 Finska Offentlighet Pris Offentlig 8,41 e (50,00 mk) Beställningar/ districution Edita Publishing Ab, PB 800, 00043 EDITA, växel 020 450 00. Postförsäljningen: Telefon 020 450 05, fax 020 450 2380. Internet: www.edita.fi/netmarket Förläggare Finlands miljöcentral (SYKE), PB 140, 00251 Helsingfors, Finland Tryckeri/ tryckningsort och -år

Tummavuoren Kirjapaino Oy, Vanda 2002 ○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○ Suomen ympäristö 559 ○○○○○○ 45 Documentation page Publisher Date Finnish Environment Institute (SYKE) April 2002 Author(s) Päivi Korpinen, Jorma Koponen, Mikko Kiirikki, Juha Sarkkula, Hannu Peltoniemi, Paula Väänänen and Maria Gästgifvars Title of publication HESPO water system model: The evaluation of environmental risks and eutrophication in Helsinki-Espoo-Tallinn sea area (HESPO vesistömalli: Ympäristöriskien ja rehevöitymiskehityksen arviointi Helsinki-Espoo- Tallinna merialueella) Parts of publication/ other project The publication is available in the internet: publications http://www.ymparisto.fi/palvelut/julkaisu/elektro/sy559/sy559.htm Abstract Nested HESPO-model system with variable horizontal resolution was developed to help in evaluation of eutrophication, to improve the control of environmental risks and to support the planning of water protection measures. Nesting makes it possible to have a good resolution in the area of interest and also to include larger sea areas to the model. The model can be utilized in planning and decision-making of water protection. The practical applications of HESPO operational model were demonstrated with both fictional accident cases as well as in a real SAR case. Analysing ecological effects of two nutrient load reduction scenarios on the phytoplankton and littoral filamentous algal biomasses demonstrated the use of HESPO-ecosystem model. The wastewater scenario describing the nutrient load reduction in the municipal wastewaters of Helsinki area decreased both phytoplankton and filamentous algal biomass by 5–15 % in the vicinity of the outlet located in the outer archipelago of Helsinki. Changes in the inner archipelago and close to the shoreline were hardly detectable. The effects of the agriculture scenario describing the decrease in the nutrient load from the drainage area of river Vantaanjoki on the algal biomasses stayed mainly below the arbitrarily selected detection limit of 2%.

Keywords eutrophication, loading, reduction, water protection, modelling, models

Publication series and number The Finnish Environment 559 Theme of publication Environment Protection Project name and number, if any

Financier/ commissioner

Project organization

ISSN ISBN 1238-7312 952-11-1148-8 (952-1149-6 pdf) No. of pages Language 46 Finnish Restrictions Price Public 8,41 e (FIM 50,00) For sale at/ distributor Edita Publishing Ltd, P.O.Box 800, FIN-00043 EDITA, Finland, Phone + 358 20 450 00. Mail orders: Phone + 358 20 450 05, fax + 358 20 450 2380. Internet: www.edita.fi/netmarket Financier of publication Finnish Environmet Institute (SYKE), P.O. Box 140, FIN-00251 Helsinki, Finland Printing place and year

Tummavuoren Kirjapaino Oy, Vantaa 2002 ○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○ 46 ○○○○○○ Suomen ympäristö 559 Suomen ympäristö

YMPÄRISTÖN- SUOJELU

Hespo vesistömalli: Ympäristöriskien ja rehevöitymis- kehityksen arviointi Helsinki-Espoo-Tallinna merialueella

Portaittaisesti Helsingin ja Espoon edustalle tarkentuvat operatiivinen HESPO-malli ja HESPO-ekosysteemimalli kehitettiin rehevöitymiskehityksen arvioimiseksi, ympäristöriskien hallinnan parantamiseksi ja vesiensuojelun suunnittelun tukemiseksi Helsinki-Espoo-Tallinna merialueella. Portaittaisesti tarkentuva malli mahdollistaa suuren erotuskyvyn hyödyntämisen kohdealueella. Malli on käytän- nöllinen työkalu vesiensuojelun suunnittelun ja päätöksenteon apuvälineenä. Operatiivista mallia käytettiin sekä kuvitteellisten onnettomuustilanteiden simuloinnissa että todellisessa etsintätapauksessa. Ekosysteemimallilla tarkasteltiin esimerkinomaisesti pääkaupunkiseudun jätevesien ja Vantaanjoen ravinnekuormituksessa tapahtuvien muutosten vaikutuksia kasviplanktonin ja rantavyöhykkeen rihmalevien määrään Helsingin edustan merialueella. Tässä työssä esitettävät tulokset tarjoavat tietoa vesiensuojelun kanssa työskenteleville. Julkaisu palvelee myös kaikkia pääkaupunkiseudun merialueen tilasta kiinnostuneita.

Julkaisu on saatavana myös internetissä: http://www.ymparisto.fi/palvelut/julkaisu/elektro/sy559/sy559.htm

ISBN 952-11-1148-8 (nid.) ISBN 952-11-1149-6 (PDF) ISSN 1238-7312

Edita Publishing Oy PL 800, 00430 EDITA, vaihde 020 450 00 Asiakaspalvelu: puhelin 020 450 05, faksi 020 450 2380 Edita-kirjakauppa Helsingissä: Annankatu 44, puhelin 020 450 2566

SUOMEN YMPÄRISTÖKESKUS PL 140, 00251 HELSINKI