Eteläsuomalaisen valuma-alueen eroosion mallinnus muuttuvassa ilmastossa fysikaalisella SWAT-mallilla

Global climate change is predicted to have a major impact on northern temperate and arctic zones climates. Rainfall and temperatures are likely to increase in the future decades. Increasing erosion is one of the major threats linked to these phenomena. In Finland specifically, winter months are expected to face the most radical change in climate. This master's thesis aims to answer the following questions: how much does erosion increase in changing climate, what are the factors that either increase or control erosion rates, and how well does the physically based SWAT- model behave in the settings of Southern Finland. Two gauging stations inside the study area were used to calibrate and validate the physical SWAT- model (Härkälänjoki and the lower-part of Lepsämänjoki). Total of 16 parameters controlling runoff were used. NS & R2 as well as P- & R-factors were chosen to quantify and measure model behavior. In the calibration period, the R2 & NS values for Härkälänjoki were 0,29 and -0,05, and for Lepsämänjoki 0,40 and 0,34. In the validation period, the R2 & NS values for Härkälänjoki were 0,30 and -0,57, and for Lepsämänjoki 0,54 and 0,21. In the calibration period, the P & R-values were 0,33 and 0,24 for Härkälänjoki and 0,32 and 0,29 for Lepsämänjoki. In the validation period, the P & R values were 0,42 and 0,57 for Härkälänjoki and 0,50 and 0,63 for Lepsämänjoki. The results of R2 and NS and the other criteria indicate that Lepsämänjoki responded better to model calibration and validation, being satisfactory. Values for Härkälänjoki were generally unsatisfactory. The RCP8.5 scenario used in this thesis increases erosion by approx. 94% compared to the validation period. However, spatial variability is considerable. Average annual erosion in the climate change scenario was 1,22 t/ha. Winter months contribute most to the total annual erosion. Areas covered by evergreen forests and located near the edges of the study area experience least erosion, while areas near the downstream of the river experience the most erosion. SWAT model behaved reasonably well, and worked well with high-quality GIS data. However, the model still needs some further adjustment and development in order to have more consistent and user-friendly interface.Niin kutsutun globaalimuutoksen seurauksena lämpötilat ja sademäärät Suomessa tulevat kasvamaan seuraavien vuosikymmenien aikana. Muuttuvan ilmaston yksi seuraus on myös kasvava eroosio, jonka uhat ja haitat on laajasti huomioitu. Etenkin talvikuukausien ilmaston oletetaan Suomessa muuttuvan kaikkein radikaaleimmin. Tässä tutkielmassa pyrittiin ennen kaikkea etsimään vastauksia siihen, kuinka paljon eroosio kasvaa globaalimuutoksen seurauksena eteläsuomalaisella valuma-alueella, mitkä tekijät vaikuttavat eroosion määrään lisäävästi tai hillitsevästi, sekä kuinka hyvin suosittu SWAT-malli toimii Suomen olosuhteissa. Fysikaalisen SWAT-mallin kalibroimiseen ja validoimiseen käytettiin kahta virtaaman mittausasemaa tutkimusalueen sisäpuolelta (Härkälänjoki ja Lepsämänjoen alaosa). Malli kalibroitiin 16 virtaamaa ja valuntaa kontrolloivalla parametrilla, ja sen toimivuuden mittareiksi valittiin R2 ja NS sekä P ja R-indeksit. Härkälänjoen R2 ja NS-lukemat kalibraation ja validaation osalta olivat 0,29 ja -0,05 sekä 0,30 ja -0,57. Lepsämänjoen arvot olivat 0,40 ja 0,34 kalibraatiossa sekä 0,54 ja 0,21 validaatiossa. Vastaavat P- ja R-indeksit olivat 0,33 ja 0,24 sekä 0,32 ja 0,29 kalibraatiossa, 0,42 ja 0,57 sekä 0,50 ja 0,63 validaatiossa. Lepsämänjoen alaosan osalta lukemat ovat vähintäänkin tyydyttäviä, Härkälänjoen arvot jäivät alle hyväksyttävän tason. RCP8.5-ennusteessa eroosio tulee kasvamaan n. 94 prosenttia verrattuna validaatiojaksoon, mutta alueellista vaihtelua on paljon eikä kasvu ole yksiselitteistä. Keskimääräinen vuotuinen eroosio oli 1,22 tonnia hehtaarilla. Suurinta eroosio on talvikuukausina, erityisesti vuoden kahtena ensimmäisenä kuukautena. Eroosio oli pienintä vesistöalueen reunoilla ja havumetsävaltaisilla alueilla. Suurin kasvu tapahtui alajuoksua lähellä olevilla valuma-alueilla. SWAT-malli on kaksijakoinen mallinnusohjelma. Toisaalta sen suosio on kasvanut viime vuosina, ja se mahdollistaa erittäin tarkan aineistojen syöttämisen ja mallintamisen. Toisaalta malli vaikuttaa edelleen keskeneräiseltä, vaativan useita tukiohjelmistoja ja sisältävän ainakin ArcMap-ympäristössä useita virheitä. Säädettävien parametrien määrä on suuri, mikä vaikeuttaa oikeiden signaalien tunnistamista ja voi johtaa siihen, että eroosiota todellisuudessa säätelevät tekijät jäävät huomioimatta