Impacts of improved subsurface drainage on the water balance of a poorly drained clayey agricultural field

Pohjoisissa olosuhteissa vuosittainen sadanta ylittää vuosittaisen haihdunnan, mikä edellyttää peltojen kuivatusta liikamärkyyden välttämiseksi ja kasvituotannon varmistamiseksi. Kuivatustarve on kriittisin keväällä ennen kasvukautta, jolloin pellon tulee olla riittävän kuiva kantaakseen raskaita peltokoneita kevätkylvön yhteydessä. Suuri osa Suomen peltosalaojituksista on tehty 1900-luvun jälkipuoliskon aikana, aiheuttaen tänä päivänä kasvavaa täydennys- ja uudisojituksen tarvetta. Salaojituksen tehokkuuden parantaminen vaikuttaa pellon hydrologiaan muuttamalla veden virtausreittejä sekä vesi-taseen valuntakomponenttien suhteita. Täydennys- tai uudisojituksen hydrologisten ja ympäristöllisten seurauksien ymmärtäminen suuremmassa mittakaavassa edellyttää niiden ymmärtämistä peltomittakaavassa. Pellon kokonaisvaltaista vesitasetta voidaan tutkia yhdistämällä hydrologisia havaintoja ja matemaattista mallintamista, minkä avulla voidaan kvantifioida täydennysojituksen vaikutuksia vesitaseeseen.

Täydennysojituksen vaikutusta pellon vesitaseeseen tutkittiin mallintamalla eteläsuomalaisen savisen viljapeltolohkon läpileikkausta (2D) FLUSH-mallilla. Pelto on salaojitettu alun perin 1950-luvulla ja täydennysojittettu keväällä 2014, jolloin ojaväli tihentyi 32 metristä 10,7 metriin. Tutkimuksessa toteutettiin kaksi eri malliapplikaatiota, joilla kuvattiin pellon tilaa ennen ja jälkeen täydennysojituksen. FLUSH-malli kalibroitiin ja validoitiin käyttämällä tunnittaisia valuntamittauksia (salaoja- ja pintakerrosvalunta) sekä pohjavedenpinnan havaintoja salaojien puolivälistä kerättynä noin kahdesti viikossa. Täydennysojituksen vaikutusta pellon vesitaseeseen tutkittiin simuloimalla ajanjaksoa 1.6.2008 – 1.6.2016 molemmilla malliapplikaatioilla.

FLUSH-malli pystyi jäljentämään pellon hydrologisia prosesseja pitkällä aikavälillä, minkä avulla oli mahdollista tutkia täydennysojituksen vaikutukset pellon vesitaseeseen. Malliaplikaatioissa lyhytaikaisten valuntatapahtumien simuloiminen mittauksia vastaan osoittautui olevan heikompi. Mitatun ja simuloidun valunnan välinen virhe oli suurimmillaan talvisin ja keväisin kun lumipeitettä simuloiva osamalli oli aktiivinen.

Täydennysojituksen vaikutus savisen pellon vesitaseeseen pohjoisissa olosuhteissa osoittautui olevan huomattava. Ojavälin tihentyessä 32 metristä 10,7 metriin salaojavalunta kasvoi 2,6 kertaiseksi, kun taas pintakerrosvalunta ja pohjavesivalunta vähenivät vastaavasti 54 % ja 16 %. Täydennysojitus ei vaikuttanut simuloituun haihduntaan. Täydennysojitus nopeutti pellon kuivumista keväisin lumensulannan jälkeen, kun tiheämmällä ojavälillä riittävä kuivatustila saavutettiin jopa 9 päivää aikaisemmin verrattuna harvan ojavälin skenaarioon.

————–

In boreal conditions, the annual precipitation exceeds the annual evapotranspiration, which creates a need for drainage of agricultural fields in order to mitigate waterlogging and ensure crop production. The need for drainage is most critical during spring prior to the growing season, as the agricultural soil needs to be adequately drained before any cultivation measured can be carried out. The majority of subsurface drainage systems in Finland were installed during the latter half of the 20th century, resulting presently in an increasing need for supplementary or renewed drainage installations. Improving the subsurface drainage system affects the hydrology of the agricultural fields by changing the water flow paths and relations between the outflow components of the water bal-ance. In order to understand the hydrological and environmental effects of improved drainage installations on a larger scale, they must first be understood on field-scale. By combining hydrological observations with a mathematical model, the holistic water bal-ance of an agricultural field can be studied, and the impacts of an improved drainage installation quantified.

A 2D transect of a clayey agricultural field in Jokioinen, southern Finland, was modelled with the FLUSH-model in order to investigate the effects of a supplementary drainage installation on the water balance of the field. Subsurface drains were originally installed at the site in the 1950s and a supplementary drainage installation carried out in spring 2014, changing the drain spacing from 32 m to 10.7 m. Two model applications were used, as the model was calibrated and validated against hourly outflow measurements and bi-weekly groundwater level (GWL) observations carried out at the site before and after the supplementary drainage installation. In order to study the impact of the sup-plementary drainage installation on the hydrology of the field, the time period 1.6.2008 – 1.6.2016 was simulated with both model applications.

The FLUSH-model was found to be able to recreate the long-term hydrological proc-esses in the field, allowing the impacts of a supplementary drainage installation on the long-term water balance to be studied. The FLUSH-models ability to recreate runoff events on an hourly temporal resolution was found to be less satisfactory. The largest errors between measured and simulated drain discharge was found to occur during the winter and early spring when the submodel simulating snowpack processes was active.

This study found that the supplementary drainage installation had a significant impact on the water balance of a clayey, agricultural field in boreal conditions. The drain dis-charge was found to increase with a factor of 2.6, while the tillage layer runoff and groundwater outflow decreased with 54 % and 16 %, respectively. The evapotranspira-tion was found to be unaffected by the supplementary drainage installation. The sup-plementary drainage installation was found to have a considerable impact on the drain-age efficiency during spring after the snowmelt period, allowing traffic of agricultural machinery up to 9 days earlier than before the supplementary drainage installation without risking soil compaction.

Keywords: Groundwater, modelling, FLUSH, supplementary drainage, improved drainage, water balance