Vesistömalli

Vesistömalli on hydrologinen malli, joka kuvaa hydrologista kiertoa koko vesistön tai usean vesistön alueella. Vesistömalleja käytetään muun muassa tulvien ja kuivuuden ennustamisessa, järvien säännöstelyn suunnittelussa, jokien ravinnekuormituksen arvioinnissa sekä ilmastonmuutoksen hydrologisten vaikutusten arvioinnissa.

Tunnettu vesistömalli on esimerkiksi ruotsalainen, SMHI:n kehittämä HBV-malli (). HBV-mallista on kehitetty myös kevennetty, useiden maiden yliopistoissa opetuskäytössä oleva HBL-Light -malliversio. Erilaisia HBV-mallin tai sen johdoksiin pohjautuvia versioita oli vuoteen 2014 mennessä sovellettu jo 95 eri valtiossa sijaitseviin vesistöihin. Vesistömalleja ovat myös Suomen ympäristökeskuksen kehittämä WSFS (, joka muistutti alkujaan HBV-mallia) myöhempine kehitysversioineen ja uudempi ruotsalainen HYPE.

Vesistömallin rakenne 

Vesistömallit voivat yksinkertaisimmillaan laskea vesistöstä syntyvää valuntaa ja laskujoen virtaamaa yhtenä kokonaisuutena. Yleensä vesistömallit on kuitenkin jaettu pienempiin osavaluma-alueisiin tai hiloihin. Tämä tuo monenlaisia etuja. Esimerkiksi vesistön sisällä tehtyjä vedenkorkeus- ja virtaamahavaintoja pystytään paremmin hyödyntämään mallin laskennassa. Myös vesistön sisäisten alueellisesti vaihtelevien ominaisuuksien kuten maaperän, kasvillisuuden ja topografian vaikutuksia veden pidättymiseen, haihduntaan ja valuntaan voidaan paremmin ottaa huomioon.

Lähtötiedot 

Vesistömallien lähtötietoina käytetään sadantaa ja lämpötilaa. Fysikaalisemmissa malleissa myös tuulen nopeutta, ilman kosteutta, ilmanpainetta ja pilvisyyttä voidaan käyttää lumipeitteen energiataseen ja haihdunnan laskennassa.

Hydrologiset prosessit 

Vesistömallin kuvaama hydrologinen kiertokulku voidaan jakaa prosesseihin, joiden avulla malli laskee veden virtaamista vesivarastoista toiseen.

Aluesadanta 

Aluesadannan laskennassa täytyy ensin korjata sadehavaintoihin liittyvät virheet. Näitä ovat haihdunta-, tartunta- ja tuulivirhe. Korjatuista havainnoista interpoloidaan aluesadannat vesistömallin osa-alueille tai hiloille. Lisäksi mallissa voidaan huomioida esimerkiksi maaston piirteiden vaikutuksia esimerkiksi orografisiin sateisiin.

Lumipeite 

Lumisade lisää mallin laskeman lumipeitteen määrää. Vesistömalleissa lumipeite lasketaan tyypillisesti lumen vesiarvona, joka vastaa lumimäärää nestemäiseksi vedeksi muutettuna. Mahdollinen vesisade voi myös lisätä lumen vesiarvoa hetkellisesti. Sade voi nopeuttaa lumen sulamista tai se voi myös jäätyä lumipeitteeseen lämpötilan pakastuttua. Lumipeitteestä vesi siirtyy sulannan myötä maaperään.

Maankosteus 

Veden tullessa sadannan tai lumen sulannan myötä maaperään se lisää maankosteutta. Maankosteus kasvaa, kunnes se saavuttaa kenttäkapasiteetin, jolloin vesi voi liikkua painovoiman vaikutuksesta alaspäin pohjaveteen tai lisätä valuntaa jokiin tai järviin. Jos maankosteus saavuttaa kyllästyskosteutensa, ylimääräinen vesi valuu maan pintaa pitkin pintavaluntana. Nämä prosessit kuvataan vesistömalleissa usein yksinkertaisemminkin, koska aina ei ole saatavilla riittävän tarkkaa tietoa maaperän ominaisuuksista ja niiden vaihtelusta mallin osa-alueiden sisällä. 

Maaperästä haihtuva vesi riippuu potentiaalisesta haihdunnasta sekä maankosteudesta. Potentiaalinen haihdunta voidaan laskea yksinkertaisilla kaavoilla ilman lämpötilasta tai Penman-Monteithin kaavalla, joka perustuu maanpinnan energiataseeseen ja huomioi kasvillisuuden vaikutuksen haihdunnan määrään. Potentiaalinen haihdunta vastaa maahaihduntaa maaperän ollessa kyllästyskosteudessa, joten maankosteus pitää huomioida haihduntaa rajoittavana tekijänä.

Pohjavesi 

Maan pintakerroksesta suotautunut vesi täydentää pohjavesivarastoa. Pohjavesi käyttäytyy Darcyn lain mukaisesti ja virtaa pohjavesivaluntana peruskallion topografian mukaisesti jokiin tai järviin. Yleensä pohjavesialueiden maaperästä ja sen paksuudesta ei ole koko vesistöalueen kattavia riittäviä tietoja, joten Darcyn lain sijaan pohjavesivalunnan laskentaa joudutaan malleissa parametrisoimaan pohjavesivaraston koosta riippuvalla kaavan avulla.

Joet 

Joet voidaan mallintaa vesistömallissa yksinkertaisimmillaan ketjuna pieniä altaita, joiden vesimäärän muutos riippuu tulovirtaaman ja lähtövirtaaman suuruudesta. Lähtövirtaama riippuu altaan vesimäärästä ja sen aiheuttaman viiveen parametrisoinnista.

Monimutkaisemmissa kaksi- tai kolmiulotteisissa hydrodynaamisissa malleissa joen aiheuttama viive riippuu uoman poikkileikkauksesta. Tällaisilla malleilla voidaan esimerkiksi arvioida veden leviämistä tulva-alueille ja sedimenttien kulkeutumista virtauksen mukana.

Järvet 

Järven vesitaseen laskennassa huomioidaan järveen laskevista joista tulevat virtaamat, lähialueelta tuleva valunta ja pohjavesivalunta, järveen satava ja siitä haihtuva vesimäärä sekä järven lähtövirtaama. Järvihaihdunta riippuu järven pinnan ja ilman ominaiskosteuksien erosta sekä tuulen nopeudesta. Ominaiskosteus riippuu lämpötilasta sekä ilman suhteellisesta kosteudesta. Keväällä, kun järven pintavesi on vielä viileä, voi vettä myös tiivistyä järven pinnalle, jos ilman kosteus on lähellä kyllästymiskosteutta.

Järven lähtövirtaama voidaan määrittää vedenkorkeudesta purkautumiskäyrän avulla. Purkautumiskäyrät laaditaan järven luusuasta tehtyjen virtaamamittausten avulla.

Lähteet

Aiheesta muualla
Watershed simulation and forecasting system (WSFS) (sisältää mallin videoesittelyn  ja ) (syke.fi) 
Watershed simulation and forecasting system (WSFS) -brochure (2013)  (syke.fi)
 :en:HBV hydrology model 

Hydrologia
Tieteellinen mallintaminen